x2: nồng độ phân cầu tử trong hỗn hợp p: khối lượng riêng t: nhiệt độ Rmin: ti s6 hồi lưu tối thiểu R: tỉ số hồi lưu thích hợp y*r: nồng độ cấu tử đễ bay hơi L: lưu lượng hỗn hợp đầu tí
Tính chất vật lí
- Là dung môi phân cực mạnh - Kha nang hoa tan tốt với những chất phân cực khác và những vật chất chứa ion - Có nhiệt dung riêng cao
- Có chứa lực liên kết và lực bám dính Trong đó lực liên kết giúp bề mặt của chất lỏng chống lại sự nứt vỡ dưới áp lực, và lực bám dính giúp dính chặt các phân tử nước lại với nhau giúp quá trình vận chuyên trở nên bền chặt hơn
- Ở trạng thái lỏng, nước nguyên chất không có hình dạng nhất định, không màu, không mùi, không vỊ
- Điểm sôi : 100 °C, ở áp suất khí quyền là 760 mmHg (1 atm)
- Khối lượng riêng của nước (ở 4 °C) là 1 g/ml (hoặc 1 kg/lít).
- Kha nang dẫn điện của nước tuỳ thuộc vào từng loại nước, nếu là nước tinh khiết hoặc nước cất sẽ không hoặc ít dẫn điện.
Tính chất hoá học
Nước tác dụng với kim loại
Ba + 2H20 — Ba(OH)2 + H2 Nước tác dụng với oxit bazo
LO +H;O— 2LIOH Nước tác dụng với oxit acid
N2Os + H20 — 2HNO3 Mot SỐ phản ứng với muối natri aluminat
3H20 + 2AICI + 3Na2SO3— 6NaCl + 2Al(OH)3 + 3SO2 H20 + NaAlO2 —+NaAl(OH)4
1.2 Hỗn hợp methanol-nước Bảng 1.1 Bảng cân bằng lỏng hơi cho hôn hợp methanol-nước ở l am
1.3 Tổng quan chưng cất 1.3.1 Khái niệm Chưng cất là quá trình biến chất lỏng thành hơi, sau đó được ngưng tụ trở lại trạng thái lỏng và đây là quá trình tạo nên pha mới Chưng cất có thê được sử dụng đề chưng cất hai hay nhiều chất lỏng có điểm sôi khác nhau hoặc để sử dụng để tách chất lỏng ra khỏi chất rắn không bay hơi như trong quá trình tách rượu cồn khỏi nguyên liệu lên men
Hầu hết các phương pháp chưng cất được sử dụng bởi ngành công nghiệp và nghiên cứu trong phòng thí nghiệm là các biến thể của chưng cất đơn giản Hoạt động cơ bản này yêu cầu sử dụng bình tĩnh hoặc bình vặn trong đó chất lỏng được làm nóng, bình ngưng đề làm mát hơi và bình thu dé thu sản phẩm chưng cất Khi đun nóng một hỗn hợp các chất, chất dễ bay hơi nhất hoặc có nhiệt độ sôi thấp nhất được chưng cất trước, những chất khác sau đó hoặc hoàn toàn không Thiết bị đơn giản này hoàn toàn phù hợp đề tinh chế chất lỏng chứa vật liệu không bay hơi và tương đối phù hợp để tách chat lỏng có điểm sôi khác nhau Đề sử dụng trong phòng thí nghiệm, thiết bị này thường được làm bằng thủy tinh và được kết nối bằng nút bẩn, nút cao su hoặc khớp noi thủy tỉnh nhám Đối với các ứng dụng công nghiệp, thiết bị lớn hơn bằng kim loại hoặc gốm được sử dụng Ở đỉnh tháp sẽ gồm các cầu tử nặng, ở đỉnh tháp là các câu tử nhẹ có độ bay hơi nhẹ và được hồi lưu một phần quay lại tháp
Khi ta xét hệ 2 cầu tử methanol-nước thì : Trên đỉnh tháp : methanol Đáy tháp : nước 1.3.2 Các phương pháp chưng cất
1.3.2.1 Phân loại theo áp suất làm việc - Áp suất thấp
- Ap suat 1.3.2.2 Phân loại theo nguyên lí làm việc
- Chưng cắt liên tục - Chưng cất gián đoạn - Chung cat bang 16i cuốn hơi nước
Phân loại theo phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp
Dựa vào tính chất hoá lí của hệ methanol-nước thay rang nước là một chất tinh khiết khó bay hơi, còn methanol lại là một chất dễ bay hơi nên ta sẽ chọn phương pháp chung cat liên tục cấp nhiệt gián tiếp [1]
Tháp chưng cất là một hệ thông gồm nhiều đĩa, mỗi đĩa của tháp ứng với một nồi chưng trong quá trình chưng cất Bộ phận đun nóng ở dưới đáy Hơi đi từ dưới qua các 16 của đĩa Chat lỏng chảy từ trên xuống qua các ng chuyền Nông độ các cầu tử sẽ thay đối theo chiều cao của tháp, nhiệt độ sôi cũng thay đối tương ứng Mặc khác, yêu
5 cầu cơ bản chung của các thiết bị phải như nhau nghĩa là 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 loại tháp mâm, nêu pha lỏng phân tán vào pha khí ta có tháp chêm, tháp phun, [2]
Các loại tháp được dùng cho chưng cất là : - Tháp chưng cất đùng mâm xuyên lỗ hoặc mâm đĩa lưới - Tháp chưng cất dùng mâm chóp
- Tháp đệm (tháp chưng cất dùng vật chêm) Đối với hệ methanol-nước ta sẽ dùng tháp mâm xuyên lỗ để chưng cắt vì tháp hoạt động khá ôn định và có hiệu suât cao.
CHƯƠNG 2 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
Sơ đồ quy trình công nghệ chưng cất
Hinh 2.1 So dé chung cat methanol-meéc bang phan mém
C-Duty Thiét bị ngưng tụ
R-Duty Thiệt bị đun sôi lại
Bảng 2.1 Số liệu dòng nhập liệu từ aspen
Cha thich Stream name (dòng nhập liệu) : 1 Temperature (nhiệt độ) : 71.2 ° Pressure (áp suất) : 5 bar Mass flow ( lưu lượng ) : 1000 kg/h
Bảng 2.2 Thông số phân khối lượng của hỗn hợp methanol-nước
Chi thich Mol fraction ( phan mol) methanol : 0.95 Mol fraction (phan mol) nước : 0.05
Design Parameters | Side Ops | Internals | Rating | Worksheet | Performance | Flowsheet | Reactions | Dynamics
Design Column Name Distillation column Sub-Flowsheet Tag COL1 Condenser
Connections © Total Partial Full Reflux
Monitor Specs Condenser Energy Stream
Subcooling 0.0000 bar Ovhd Liquid Outlet
Inlet Streams Num of a 4.800 bar mi Stream Ty Draw Sti eects] | PS 1) 5_Main Towe: n= 10 —
= d Reboiler Energy Stream s 9 —= R-duty ` ae Delta P Bottoms Liquid Outlet
Hinh 2.4 So do chi tiét trong hé chung cat bang phan mém aspen
Chi thich C-duty (thiết bị ngưng tụ) Top production (san pham đỉnh đầu ra) R-duty (thiết bị đun sôi lại)
Bottom production (sản phẩm đáy đầu ra) P cond (ap suất ngưng tụ) : 4.8 bar P reb (áp suất hồi lưu) : 5 bar 2.2 Thuyết minh quy trình công nghệ chưng cất Hỗn hợp methanol - nước có nồng độ nhập liệu methanol 60% (theo mol) Ở đây hỗn hợp được bơm và ổi vào bồn chứa được đun sôi qua thiết bị gia nhiệt đến 75 °C Sau đó, hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất ở đĩa nhập liệu
Nhiệt độ càng lên trên càng thấp, nên khi hơi đi qua các đĩa từ dưới lên thì cầu tử có nhiệt độ sôi cao là nước sẽ ngưng tụ lại, cuối củng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cầu tử methanol chiếm nhiều nhất (có nồng độ 95% theo mol) Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ và được ngưng tụ toàn phần ( C-duty ) Chất lỏng bị ngưng tụ được hồi lưu về tháp ở đĩa trên cùng với tỷ số hoàn lưu tối ưu Phần còn lại thì thoát ra khỏi tháp
Một phân câu tử có nhiệt độ sôi thâp được bộc hơi, còn lại câu tử có nhiệt độ sôi cao trong chat lỏng ngày càng tăng Cuối cùng, ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng gồm hầu hết là cầu tử khó bay hơi (nước) Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độ methanol là 5% theo mol, còn lại là nước Dung dịch lỏng ở đáy đi ra khỏi tháp, chất lỏng là nước sẽ được đưa vào thiết bị đun sôi lại (R-duty) và một phần chất lỏng đã được đun sôi cung cap lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại đi ra khỏi tháp và đưa vào bồn chứa sản phâm
CHUONG 3 CAN BANG VAT CHAT
Tỉ số hồi lưu 2 Tỉ số hôi lưu tối thiểu
Dùng công thức IX.24 (Số tay QTTB tập 2/158)
3.1.1.3 Ti s6 héi lưu thích hợp
Dùng công thức IX.25b (Số tay QTTB tập 2/159) R= 1.3*Rmin +0.3 = 1.3 * 0.52 + 0.3 = 0.976
3.2 Phương trình đường làm việc 3.2.1 Phương trình đường nhập liệu
Biéu dé 3.1 Duong cong can bang
3.2.2 Phương trình đường làm việc của đoạn cất
Biếu đồ 3.2 Đường làm việc của đoạn cát y (fe Ze x x+ == 0.49x + 0.48
Phương trình đường làm việc của đoạn chưng
10 0 Biểu đồ 3.3 Đường làm việc của đoạn chưng 20 40 60 80
Biểu đô 3.4 SỐ mâm lí thuyết
3.2.4 Số mâm thực tế Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình
7),,: hiệu suất trung bình của đĩa, là hàm số của độ bay hơi tương ứng với độ nhớt của hỗn hợp lỏng
N.: số mâm thực tế N;: số mâm lý thuyết
3.2.5 Xác định hệ số trung bình của tháp Độ bay hơi tương đối của đối tượng dé bay hơi
15 y dee i-y Trong d6 a= x la phan mol cua methanol trong pha long y* là phần mol của methanol trong pha hơi cân băng với pha lỏng 3.2.6 Tại vị trí nhập liệu
Tra bảng IX.2a (số tay QTTB tập 2/149) y ae Icx_ 05 1-0.16
Dùng toán đồ hình 1.18 (Số tay QTTB tập 1/90) [3], ta có: w1=0.28 cP
Tra bảng I.101 (Số tay QTTB tập 1/90), ta có: na =0.406 cP Dùng công thức 1.12 (S6 tay QTTB tap 1/84):
Xlog, +e, log, = 0.6 x log(0.28) +(1-0.6)x log(0.406)=-0.488 log.) ĐuhhF =z tụ log
Tra hình IX.1I (Số tay QTTB tập 2/171) [4], hiệu suất trung bình tại vị trí nhập liệu là: nạ „B%
3.2.7 Tại vị trí đỉnh tháp
Tra bảng IX.2a (Số tay QTTB tập 2/149) có: xp =0.95 > yp = 0.98 tp= 65.275 °C y* l—x Œ¿=————X lI—y# *
Dùng toán đồ hình 1.18 (Số tay QTTB tập 1/90), ta có: p1=0.3 cP
Tra bảng I.101 (Số tay QTTB tập 1/90), ta có: na =0.44 cP Dùng công thức 1.12 (S6 tay QTTB tap 1/84): lOBMup=Sp logul +
1 j= 10'°8 08 = 10-9-53=0.30 cP Da yX Mj,p=1-65x 0.30=0.495 cP Tra hình IX.11 (Số tay QTTB tập 2/171), hiệu suất trung bình tại vị trí nhập liệu là:
!Ị g.„„= 582 Sô mâm chưng thực tê:
So mam thực tê
CHUONG 4 DUONG KINH VA CHIEU CAO THAP
4.1.1.2 Phân moi trung bình của pha lỏng trong phần cất
Gióng lên đường cong cân bằng ta có y* ;c=0.89 Tra bảng IX.2a (Số tay QTTB tập 2/149)
Nhiệt độ trung bình pha lỏng trong phần cất: TLc =
4.1.1.3 Khối lượng riêng của pha lỏng trong phân cất
Tra bảng 1.2 (Số tay QTTB tập 1/9), ta có khối lượng riêng của methanol trong phần cất ở nhiệt độ 68.24 °C IA: pic = 747.76 (kg/m?)
Tra bang 1.2 (S6 tay QTTB tap 1/9), ta co khối lượng riêng của nước trong phần cất ở nhiệt độ 68.24 °C là: poc = 978.47 (kg/m?)
4.1.1.4 Phân khối lượng trung bình của pha lỏng trong phần cất 32x X16 32x 0.775
X,= 32 xx,¿+(1—x,¿)X18- 32x0.775+(1— —== : 0.775) x18 - =0.86 Áp dụng công thức 1.2 (Số tay QTTB tập 1/5):
4.1.1.5 Phần mol trung bình của pha hơi trong phần cất
M nc=¥ ne *™ cuson + (A-¥ yc) XM a9 = 9-86 32+ (1 = 0.86) x 180.04 kg/kmol
4.1.1.6 Khỗi lượng riêng trung bình của pha hơi trong phần cất
Tại đỉnh, phần mol của methanol trong pha lỏng và pha hơi bằng nhau > khối lượng phân tử của pha lỏng và pha hơi bằng nhau:
M c=M e=(4 py XM caso) + (A= %p) XM yp = (0-95 32) +0.05x 181.3 kg/kmol
4.1.1.7 Lưu lượng khỗi lượng của dòng hơi tại đỉnh tháp
4.1.1.8 Lưu lượng mol của hoi tai dinh
: M nc 30.04 4.1.1.9 Luu luong khéi luong cia dòng hoàn lưu
4.1.1.10 Lưu hượng mol của dòng hoàn lưu 722.70
~ 30.04 4.1 1.11 Luu lwong thé tich tai dinh
Cho khoang cach gitra 2 mam: AhP0nm Tra hình 6.2 (Quá trình và thiết bị công nghệ tập 10/256) cho tháp mâm xuyên lỗ
> C=0.075 4.1.1.12 Vận tốc và đường kinh của phân cất
Vì 2 he 0 „c nên vận tốc pha hơi được tính theo công thức:
4.1.2.1 Phân moi trung bình của pha lỏng trong phân chưng XptZp 0.05+0.6 x, = L( 2 =—— =0.325
Tra bang [X.2a (S6 tay QTTB tap 2/149) có:Y * " =0.68
Nhiệt độ trung bình pha lỏng trong phần cất: Trc = 83 09C 4.1.2.2 Khối lượng riêng của pha lỏng trong phân chưng
Tra bảng 1.2 (Số tay QTTB tập 1/9), ta có khối lượng riêng của methanol trong phần cất ở nhiệt độ 83 °C là: pinch = 900.35 (kg/m?)
Tra bang 1.2 (S6 tay QTTB tap 1/9), ta có khối lượng riêng của nước trong phần cất ở nhiệt độ 83 °C 1a: patch = 969.9 (kg/m)
4.1.2.3 Phân khối lượng trung bình của pha lỏng trong phân chưng
X M32 xx) 4 (1 x, )x18 ; ) 32x 0.325+ (1— 0.325) x 18 0.46 Áp dụng công thức 1.2 (Số tay QTTB tập 1⁄5):
| = Xion Xp - 0.461 + 0.46 ơp,„6.62(kg/m”) Pron Piren Pạy, 900.35 — 969.9
4.1.2.4 Phân moi trung bình của pha hơi trong phần chưng
4.1.2.5 Khi lượng riêng trung bình của pha hơi trong phần chưng PxM 1x 23.872
Puyy= “ RXT,,,, “ =———— —sI (kg/m?) 0.082 (83+ 273) Tại đỉnh, phần mol của methanol trong pha lỏng và pha hơi bằng nhau > khối lượng phân tử của pha lỏng và pha hơi bằng nhau:
Mụu,=M, ,=(XgX Mesgy) ®(T—xz) XMz;=(0.05x 32) + (1- 0.05) x 18.7 (kg/kmol) 4.1.2.6 Lưu lượng khối lượng của dòng hơi tại đỉnh tháp:
4.1.2.7 Luu luong mol cua hoi tai dinh Viten 930.56 49.76 kmol Ny Fh M ie 18.7 h 4.1.2.8 Lưu lượng khối lượng của dòng hoàn lưu
4.1.2.9 Luu luong mol cua dong hoan luu
Vien 459.52
Vận tốc và đường kính của phần chưng
Vì 0 ro 0 ch nén van toc pha hơi được tính theo công thức
#X Đua — 4x 0.40 TX We mx 2.55 ỉ Ch =0.44 (im)
Tra bảng XIIL6 ( Số tay QTTB tập 2/359)
Chọn đường kớnh ứ0ễmm =lm 4.1.2.13 Vận tốc thực tế của pha hơi trong phân cất
=(N —1) xAh+ 1=(4— 1) x 0.54 1=2.5 tr Chọn đáy nắp elip tiêu chuẩn xì =0.2 h
Chon chiéu cao go: h = 550mm = 0.55 (m)
Chiéu cao day (nap): A -h + h =0.25+ 0.55=0.8(m) dn t 8
Chiều cao toàn tháp: u=H thân +x, ) =2.5+ (0.8x 2) =4.1 (m)
CHUONG 5 KET LUAN
Đối với hệ thống chưng cất methanol-nước dùng tháp mâm xuyên lỗ, với các điều kiện đã cho như năng suất nhập liệu là 1000 kg/h, nồng độ dung dịch nhập liệu là 0.6 mol, nồng độ sản phẩm đỉnh là 0.95 mol, nồng độ sản phẩm đáy là 0.05 mol, nhiệt độ gia nhiệt cho hỗn hợp đầu vào là 75 °C và dùng hơi nước bão hoà làm nguồn cung cấp nhiệt Ta có các thông số được tính toán như số mâm lí thuyết là 7, số mâm thực tế ra được 14 mâm ( trong đó có 8 mâm cất và 5 mâm chưng ), tỉ số hồi lưu thích hợp là 0.976, đường kính của phần cất và phần chưng lần lượt là 0.49 m và 0.44 m, chiều cao của tháp khi tính ra được 4.1 m
Thiết bị có ưu điểm là năng suất cao, tuy nhiên chiều cao tháp khá lớn nên ta nên xây dựng thiết bị chưng cất này ở quy mô công nghiệp Ngoài ra, khi vận hành thiết bị này ta cũng phải chú ý đến vấn đề an toàn lao động để tránh những vấn đề không đáng có xảy ra, sây thiệt hại đên sức khoẻ con người vả vat chat