Đồ Án thiết kế kỹ thuật hóa học thiết kế tháp mâm xuyên lỗ hoạt Động liên tục Để chưng cất hỗn hợp methanol – nước

Đối với hệ Methanol – nước là hai cấu tử hòa tan vào nhau và có nhiệt độ sôi khác xa nhau nên ta chọn phương pháp chưng cất để tách các cấu tử trong hỗn hợp và thu được Methanol có độ ti

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

BỘ MÔN QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ

***********

THIẾT KẾ THÁP MÂM XUYÊN LỖ HOẠT ĐỘNG LIÊN TỤC ĐỂ

CHƯNG CẤT HỖN HỢP METHANOL – NƯỚC

Mã môn học: CH4007 – HK 241

Giảng viên hướng dẫn: TS.Nguyễn Sĩ Xuân Ân

Sinh viên thực hiện: Đoàn Hữu Tuấn Tài

Mã số sinh viên: 2114679

Thành phố Hồ Chí Minh – 2024

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ KỸ THUẬT HÓA HỌC

LỜI NÓI ĐẦU Trong giai đoạn phát triển công nghiệp hóa hiện đại hóa, Công nghệ Kỹ thuật Hóa học lại càng phát huy được vai trò quan trọng của mình Công thức hóa học được thực hiện với khối lượng và quy mô rất lớn trong các nhà máy lớn, và việc theo dõi thành phần hóa học luôn phải được thực hiện sát sao

Ngày nay, các phương pháp được sử dụng để nâng cao độ tinh khiết như: trích

ly, chưng cất, cô đặc, hấp thụ Tùy theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có sự lựa chọn phương pháp thích hợp Đối với hệ Methanol – nước là hai cấu tử hòa tan vào nhau và có nhiệt độ sôi khác xa nhau nên ta chọn phương pháp chưng cất để tách các cấu tử trong hỗn hợp và thu được Methanol có độ tinh khiết cao Trong phạm vi đồ án môn học, em sẽ giải quyết nhiệm vụ thiết kế hệ thống chứng cất để tách hỗn hợp Methanol – Nước

Để có thể hoàn thành đồ án môn học này, em đã nhận được sự hướng dẫn và giúp đỡ tận tình của thầy Nguyễn Sĩ Xuân Ân, thầy đã giúp em bổ sung rất nhiều kiến thức và kinh nghiệm bổ ích Tuy nhiên, kiến thức và kinh nghiệm của cá nhân em còn hạn chế, trong quá trình làm đồ án còn nhiều sai sót, kính mong quý thầy cô thông cảm

và góp ý để đồ án có thể hoàn thiện hơn

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1 Khái quát quá trình chưng cất

1.1 Khái niệm

Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử trong một hỗn hợp lỏng hay hỗn hợp lỏng – khí thành các cấu tử riêng biệt dựa vào sự khác biệt về độ bay hơi của các cấu tử trong hỗn hợp Thay vì đưa vào trong hỗn hợp một pha khác để tạo nên sự tiếp xúc giữa 2 pha như quá trình hấp phụ, nhả hấp, quá trình chưng cất pha mới được tạo

ra bằng quá trình bay hơi hay ngưng tụ của các cấu tử có trong hỗn hợp

Nhìn chung có nhiều điểm tương đồng giữa quá trình chưng cất và quá trình cô đặc, tuy nhiên ở cô đặc chỉ có dung môi bay hơi, nên nồng độ chất tan ngày một tăng lên, ngược lại quá trình chưng cất cả dung môi và chất tan đều bay hơi (tức các cấu tử đều hiện diện trong cả hai pha nhưng với tỷ lệ khác nhau)

Khi chưng cất, ta sẽ thu được nhiều sản phẩm, thông thường, có bao nhiêu cấu

tử trong hỡn hợ thì sẽ có bấy nhiêu sản phẩm Đối với trường hợp chưng cất 2 cấu tử, sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm các cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần rất nhỏ các cấu

tử có độ bay hơi nhỏ; Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi nhỏ và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi lớn

Cụ thể, trong quá trình chưng cất hệ hỗn hợp Methanol – Nước thì sản phẩm đỉnh gồm Methanol chiếm đa số và một phần rất ít các cấu tử nước, sản phẩm đáy chứa hầu hết là nước và một phần rất nhỏ là các cấu tử Methanol

1.2 Các phương pháp chưng cất

Theo áp suất làm việc: chưng cất ở áp suất thấp, áp suất thường và áp suất cao Bởi vì chưng cất là quá trình phân tách dựa vào sự sai biệt nhiệt độ sôi của các cấu tử trong hệ và yếu tố này có thể được thay đổi bằng cách thay đổi áp suất làm việc Ví dụ, trong trường hợp nhiệt độ sôi của các cấu tử quá cao, có thể làm việc ở áp suát thấp hoặc áp suất chân không để làm giảm nhiệt độ sôi của các cấu tử

Theo nguyên lý làm việc: Chưng cất đơn giản (gián đoạn), liên tục, bán liên tục Trong đó quá trình chưng cất đơn giản dùng để tách các cấu tự có độ bay hơi rất khác biệt nhau, được ứng dụng để tách sơ bộ hoặc làm sạch các cấu tử khỏi tạp chất không bay hơi

Theo phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp: cấp nhiệt trực tiếp bằng hơi nước, cấp nhiệt gián đoạn

Như vậy, xem xét tính chất của hệ methanol – nước thì ta chọn phương án chưng cất liên tục (có hồi lưu), cấp nhiệt gián tiếp bằng nồi đun Kettle vận hành ở áp suất thường

1.3 Thiết bị chưng cất

1.3.1 Tháp mâm

Thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có cấu tạo khác nhau

để chia thân tháp thành những đoạn bằng nhau, trên mâm pha lỏng và pha hơi đựơc cho tiếp xúc với nhau Tùy theo cấu tạo của đĩa, ta có:

Tháp mâm chóp: Trên mâm có gắn chóp và ống chảy chuyền, ống chảy chuyền

có thể có tiết diện hình tròn, viên phân, một ống hay nhiều ống tùy suất lượng pha lỏng Chóp có thể hình tròn hay một dạng khác Ở chóp có rãnh xung quanh để pha khí

đi qua, rãnh chóp có thể là hình chữ nhật, tam giác hay hình tròn Theo nghiên cứu thì hình dáng của rãnh không ảnh hưông nhiều lên quá trình trủyền khối Chóp được lắp vào mâm bằng nhiều cách khác nhau Sự chuyển động của pha khí và lỏng trong tháp như sau: Chất lỏng chảy từ trên xuống, từ mâm trên xuống mâm dưới nhờ ống chảy chuyền Khí đi từ dưới lên qua ông khí rồi xuyên qua các rãnh chóp để sục vào lớp chất lòng trên mâm Hiệu quả của quá trình sục khí vào lỏng phụ thuộc rất nhiều vào vận tốc khí và chiều cao lớp chất lỏng trên mâm Nếu vận tốc khí nhỏ thì phạm vi sục khí nhỏ hoặc không sục vào lỏng được nhưng nếu vận tốc khí quá lớn thì quá trình sục khí cũng không tốt vì lúc đó có thể xảy ra hiện tượng hoặc là chất lỏng bị lôi cuốn theo dòng khí hoặc là chất lỏng bị dạt ra một vùng

Tháp mâm xuyên lỗ: Trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh, đường kính lỗ từ 3 - 12

mm, tổng tiết diện các lỗ trên mâm chiếm từ 8-15% tiết diện tháp Các lỗ được bố trí trên các 3 đỉnh tam giác đều, khoảng cách giữa hai tâm (bước) lỗ bằng 2,5-5 lần đường kính Bề dầy mầm thường bằng 4/10 - 8/10 đường kính lỗ nếu làm bằng thép không ri, nếu làm bằng thép carbon hay hợp kim đồng thì bề đầy hơi lớn hơn tỉ lệ trên Mâm phải thật ngang bằng khi lắp vào tháp Đối với những tháp có đường kính quá lớn (> 2,4 m), ít dùng mâm xuyên lỗ vi khi đó chất lỏng phân phối không đều trên mâm

Trong tháp mâm xuyên lỗ, pha khí đi từ dưới lên qua các lỗ trên mam và phân tán vào trong chất lỏng chuyển động từ trên xuống tho các ống chảy truyền Tùy theo lưu lượng của 2 pha lỏng, khí, mà có 3 chế độ thủy động:

Khi tăng vận tốc khí lên thì khí đi qua lỏng bằng những tia bọt liên tục, chất lỏng không bị chảy rò qua các lỗ trên mâm Ở chế độ này tháp hoạt động ổn định

Khi tiếp tục tăng vận tốc khí, khí và lỏng trên mâm sẽ tạo thành hỗn hợp lỏng bọt xáo trộn mạnh trên mâm Ở điều kiện này mâm sẽ hoạt động với hiệu suất cao nhất Nếu tiếp tục tăng vận tốc khí lên nữa, sẽ xuất hiện hiện tượng lôi cuốn chất lỏng lên mâm trên

Nhìn chung, tháp mâm có hiệu quả và năng suất truyền khối khá cao và đáp ứng được nhiều yêu cầu đặc biệt như sử dụng được với cả lưu lượng cao hay thấp hoặc khi hỗn hợp có lẫn các hạt rắn Tuy nhiên cấu tạo tháp mâm thường phức tạp, dẫn đến quá trình chế tạo, lắp đặt và vận hành cũng rất phức tạp và tốn kém nhiều chi phí hơn Ngoài ra, trở lực của tháp mâm thường khá lớn, do đó không phù hợp khi hỗn hợp cần chưng cất có quá nhiều cặn

1.3.2 Tháp chêm (tháp đệm)

Tháp hình trụ, gồm nhiều đoạn 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 Vật chêm sử dụng gồm có nhiều loại khác nhau, phổ biến nhất là một số loại vật chêm sau:

Vòng Raschig: Hình trụ rỗng bằng sứ hoặc kim loại, nhựa, có đường kính bằng chiều cao (kích thước từ 10-100 mm)

Vật chêm hỉnh yên ngựa: Có kích thước từ 10-75 mm

Vật chêm vòng xoắn: Đường kính dây từ 0,3-1 mm, đường kính vòng xoắn từ 3-8 mm và chiều dài nhỏ hơn 25 mm

1.3.3 Ưu và nhược điểm của các thiết bị chưng chất

Tháp chêm Tháp mâm xuyên lỗ Tháp mâm chóp

Ưu điểm

- Cấu tạo đơn giản

- Trở lực thấp

- Có thể làm việc với chất lỏng bẩn

- Trở lực tương đối thấp

- Hiệu suất cao

- Tính ổn định cao

- Hiệu suất cao

- Ít tiêu tốn năng lượng

Nhược điểm

- Thiết bị khá nặng nề

- Độ ổn định không cao, khó vận hành

- Có hiệu ứng thành nên hiệu suất truyền khối thấp

- Do có hiệu ứng thành nên khi tăng năng suất thì hiệu ứng thành tăng, vì vậy khó tăng năng suất

- Không làm việc được với chất lỏng bẩn

- Kết cấu khá phức tạp, yêu cầu các mâm phải lắp thẳng

- Trở lực lớn

- Tốn nhiều vật tư

để chế tạo

- Kết cấu phức tạp

2 Khái quát về nguyên liệu và sản phẩm

2.1 Methanol

2.1.1 Tính chất chung của methanol

Tính chất vật lý: Methanol hay methyl alcohol, là một loại hóa chất rất linh hoạt được

sử dụng rộng rãi cho mục đích công nghiệp và phổ biến trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta Đây là rượu có cấu trúc đơn giản nhất, nhẹ, dễ bay hơi, dễ tan trong nước, dễ cháy với một mùi đặc trưng Ở nhiệt độ phòng, methanol tồn tại ở dạng lỏng,

không màu Dưới điều kiện ánh sáng mặt trời, methanol có thể phân hủy thành khí carbonic và nước trong vòng vài ngày Một vài thông số của methanol:

- Nhiệt độ sôi: 64.7°C

- Nhiệt độ nóng chảy: -97.8°C

- Khối lượng phân tử: 32.04 g/mol

- Khối lượng riêng ở 20°C: p = 791.7 kg/m3

- Độ nhớt ở 20°C: 0,6 10 3 N.s/m2 = 0.6 cP

- Nhiệt dung riêng ở 20°C: Cp = 2570 J/kg.độ

Tính chất hóa học: Methanol cho phản ứng ester hóa với acid hữu cơ trong môi trường acid, đóng vai trò là chất khử trong các phản ứng với các chất oxy hóa, tạo thành aldehyde hay carboxylic acid

2.1.2 Sản xuất methanol

Trong tự nhiên, methanol có thể được tạo ra trong qua trình hô hấp kỵ khí của nhiều loài vi sinh vật Trong công nghiệp, methanol có thể được tổng hợp quá trình đốt than

đá hoặc từ khí đốt tự nhiên, hiện nay, phương pháp sử dụng khí tự nhiên trở nên phổ biến hơn

Ở áp suất 40 atm, nhiệt độ khoảng 850°C, phản ứng giữa methane và hơi nước dưới xúc tác của Nikel:

CH4+H2O¿, 40 atm , 850° C

Khí Hydro và CO tiếp tục được phản ứng với nhau dưới điều kiện mới để tạo ra methanol:

CO +2 H2xt , 50 ÷ 100 atm ,250 ° C

Để tận dụng khí Hydro dư thừa người ta bơm 𝐶𝑂2 thêm vào để phản ứng cùng với quá trình trên, đồng thời làm giảm thiểu lượng 𝐶𝑂2 thải ra từ các nhành công nghiệp:

CO2+3 H2xt , 50 ÷ 100 atm ,250 ° C

Cuối cùng là quá trình chưng cất để thu lấy methanol với độ tinh khiết mong muốn 2.1.3 Ứng dụng của methanol

- Methanol là hóa chất được ứng dụng vô cùng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như:

- Là nguyên liệu cho ngành công nghiệp chất dẻo, chất kết dính

- Là dung môi phổ biến trong tổng hợp hữu cơ hoặc trong các lĩnh vực phân tích (là dung môi để chạy sắc ký HPLC, chạy phổ )

- Dùng sản xuất formalin

- Là nguyên liệu sản xuất cồn khô dung trong công nghiệp

- Làm nguyên liệu sản xuất vải sợi tổng hợp may quần áo

- Nhiên liệu tạo năng lượng trong giao thông vận tải

Nước là hợp chất hóa học của Oxy và Hydro, có công thức hóa học là H2O Ở điều kiện bình thường, nước là chất lỏng không màu, không mùi, không vị Nước là một dung môi phân cực, mang nhiều vai trò quan trọng trong cả đời sống sinh hoạt và trong công nghiệp Trên trái đất, có đến 70% bề mặt trái đất được bao phủ bởi nước Một số thông số của nước:

Khối lượng phân tử: 18 g/mol

Khối lượng riêng: 1g/cm3

Nhiệt độ sôi: 100°C

Nhiệt độ nóng chảy: 0°C

CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 2.1 Sơ đồ quy trình công nghệ

2.2 Thuyết minh về sơ đồ quy trình công nghệ

Hỗn hợp methanol – nước tại bồn chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm lên bồn cao

vị (3) Mức chất lỏng cao nhất và thấp nhất của bồn cao vị được khống chế bởi gờ chảy tràn Hỗn hợp đầu từ bồn cao vị tự chảy xuống thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu (6), quá trình tự chảy được kiểm soát bởi lưu lượng kế (4), đồng thời nước ngưng được

xả thông qua bẫy hơi (7) Tại đây, hỗn hợp đầu được gia nhiệt lên đến nhiệt độ sôi, sau khi đạt đến nhiệt độ sôi, hỗn hợp được đưa vào mâm nhập liệu của tháp mâm chóp (9)

để tiến hành quá trình chưng cất

Trong tháp, hơi đi từ dưới lên tiếp xúc trực tiếp với lỏng chảy từ trên xuống, tại đây xảy ra quá trình bốc hơi và ngưng tụ nhiều lần Theo chiều cao của tháp, càng lên cao nhiệt độ càng thấp nên khi hơi đi qua các mâm từ dưới lên, cấu tử có nhiệt độ sôi cao (nước) sẽ ngưng tụ Quá trình tiếp xúc lỏng - hơi trong tháp diễn ra liên tục làm cho 6 pha hơi ngày càng giàu cấu tử dễ bay hơi (methanol), pha lỏng ngày càng giàu cấu tử khó bay hơi (nước) Cuối cùng trên đỉnh tháp, ta thu được chủ yếu là methanol, một phần rất ít nước

Hỗn hợp hơi từ đỉnh tháp được đưa vào thiết bị ngưng tụ (10), tại đây hơi được ngưng

tụ hoàn toàn Chất lỏng sau khi ngưng tụ đi qua thiết bị phân phối lỏng (11), một phần được hồi lưu trở về tháp ở đĩa trên cùng Phần còn lại được dẫn vào thiết bị làm nguội (12), tại đây chất lỏng được làm nguội đến 30oC, rồi đưa vào bồn chứa sản phẩm đỉnh (13)

Chất lỏng hồi lưu đi từ trên xuống dưới, gặp hơi có nhiệt độ cao đi từ dưới lên, một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp lại bốc hơi đi lên, một phần cấu tử có nhiệt độ sôi cao

sẽ ngưng tụ đi xuống Do đó nồng độ cấu tử khó bay hơi (nước) trong pha lỏng ngày càng tăng, cuối cùng ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng chủ yếu là nước và một phần rất ít methanol Hỗn hợp lỏng này đi ra khỏi tháp vào nồi đun đáy tháp (14), nồi đun có tác dụng đun sôi tuần hoàn và bốc hơi sản phẩm đáy, hỗn hợp lỏng một phần sẽ bốc hơi cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại đi từ nồi đun về chứa ở bồn

chứa sản phẩm đáy (15) Nước ngưng của các thiết bị truyền nhiệt sẽ được dẫn qua bẫy hơi rồi qua bộ góp nước ngưng hoàn lưu về lò hơi qua hệ thống đường ống dẫn

Tóm lại, theo chiều cao tháp nồng độ cấu tử dễ bay hơi (cả pha lỏng và pha hơi) tăng dần, nồng độ cấu tử khó bay hơi (cả pha lỏng và pha hơi) giảm dần, và nhiệt độ giảm dần Hệ thống làm việc liên tục để chưng cất hỗn hợp methanol – nước ở áp suất thường, hỗn hợp đầu đưa vào và sản phẩm lấy ra liên tục Sản phẩm đỉnh chủ yếu là methanol, sản phẩm đáy chủ yếu là nước được đưa về dự trữ ở các bồn

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

3.1.1 Các thông số ban đầu

Thông số dòng nhập liệu và yêu cầu bài toán

Hỗn hợp:

- Methanol: CH3OH M R =32(g/mol)

Các thông số:

Năng suất: G F = 2000 kg/h

- Nồng độ dòng nhập liệu: x F =30 %(kg nước/kghỗn hợp)

- Nồng độ sản phẩm đỉnh: x D =95 %(kg nước/kghỗn hợp)

- Nồng độ sản phẩm đáy: x W =1 %(kg nước/kghỗn hợp)

Chọn:

+ Nhiệt độ nhập liệu ban đầu: : t BĐ =27 °C

+ Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội: : tln=30 °C

+ Nhiệt độ dòng nước lạnh đi vào: : t V =27 ° C

+ Nhiệt độ dòng nước lạnh đi ra: t R =40 ° C

+ Trạng thái nhập liệu vào tháp chưng cất là trạng thái lỏng sôi

Ký hiệu:

G F, F: suất lượng hỗn hợp đầu vào, kmol/h

G D, D: suất lượng sản phẩm đỉnh, kmol/h

G W, W: suất lượng sản phẩm đáy, kmol/h

L: lượng chất lỏng hồi lưu, kmol/h

y i: nồng độ phần mol của pha hơi ứng với nồng độ phần mol xi của pha lỏng, kmol/kmol

y¿: nồng độ phần mol cân bằng của pha hơi ứng với nồng độ phân mol xi của pha lỏng, kmol/kmol

3.1.2 Chuyển đổi nồng độ, lưu lượng

- Sản phẩm đỉnh

x D=

x D

M R

x D

M R+(1−x D)

M N

=

0.95 32 0.95

32 +(1−0.95)

18

=0.914 (kmol methanol/kmol hỗn hợp)

- Nhập liệu (kmol methanol/kmol hỗn hợp)

x F=

x F

M R

x F

M R+(1−x F)

M N

=

0.30 32 0.30

32 +(1−0.30)

18

=0.194 (kmolmethanol /kmolhỗn hợp)

- Sản phẩm đáy:

x w=

x w

M R

x w

M R+(1−x w)

M N

=

0.01 32 0.01

32 +(1−0.01)

18

=0.0056

Khối lượng mol của hỗn hợp: M hh =x i M R+(1−x i) M N

x w=

x w

M R

x w

M R+(1−x w)

M N

=

0.01 32 0.01

32 +(1−0.01)

18

=0.0056