Đề tài tính toán và thiết kế hệ thống thiết bị chưng luyện liên tục Để phân riêng hỗn hợp lỏng chứa ethyl acetate và acetic acid bằng tháp Đĩa chóp

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG KHOA HÓA ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ ĐỀ TÀI: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG THIẾT BỊ CHƯNG LUYỆN LIÊN TỤC ĐỂ PHÂN RIÊNG HỖN HỢP LỎNG CHỨA

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG

KHOA HÓA

ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

ĐỀ TÀI: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG THIẾT BỊ CHƯNG LUYỆN LIÊN TỤC ĐỂ PHÂN RIÊNG HỖN HỢP LỎNG CHỨA ETHYL

ACETATE VÀ ACETIC ACID BẰNG THÁP ĐĨA CHÓP

GVHD: Nguyễn Thanh Bình Sinh viên thực hiện: Trần Hồ Bảo Vy MSSV: 107220219

Nhóm: 22.50

Đà Nẵng, 2024

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Khoa Hóa

-o -o -o -ĐỒ ÁN MÔN HỌC

QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

2 Đề bài: Tính toán và thiết kế hệ thống thiết bị chưng luyện liên tục để phân

riêng hỗn hợp lỏng chứa Ethyl acetate + Acetic acid bằng tháp đĩa chóp, làm việc ở áp suất khí quyển

3 Số liệu ban đầu:

- Năng suất (tấn/ngày): 42

- Nồng độ cấu tử trong hỗn hợp đầu (% khối lượng): 38%

- Nồng độ cấu tử nhẹ trong sản phẩm đỉnh (% khối lượng): 96%

- Nồng độ cấu tử nhẹ trong sản phẩm đáy (% khối lượng): 1.8%

4 Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:

Chương I: Giới thiệu tổng quan

- Tổng quan về sản phẩm

- Tổng quan về quá trình chưng cất, biện luận lựa chọn loại tháp chưng cất

- Giới thiệu dây chuyền công nghệ

- Trình bày về nhiệm vụ của đồ án

Chương II: Tính công nghệ thiết bị chính

- Tính cân bằng vật liệu

- Tính kích thước thiết bị: Đường kính và chiều cao của thiết bị chính

Chương III: Tính cân bằng nhiệt lượng

- Xác định lượng hơi đốt cần sử dụng

- Xác định lượng nước lạnh cần sử dụng

Chương IV: Kết luận

5 Các bản vẽ và phụ lục:

- 1 bản vẽ dây chuyền công nghệ khổ A3 theo đúng quy chuẩn kỹ thuật.

6 Thời gian thực hiện:

- Ngày bắt đầu giao đồ án :

LỜI MỞ ĐẦU

Đồ án Quá trình & Thiết bị là cơ hội tốt cho sinh viên nắm vững kiến thức đã học, tiếp cận với thực tế thông qua việc tính toán, lựa chọn quy trình và các thiết bị với số liệu cụ thể Đây là cơ sở để sinh viên dễ dàng nắm bắt công nghệ và giải quyết những vấn đề kỹ thuật tổng hợp một cách nhanh chóng, phục vụ cho công việc của một người kỹ sư Trong kỹ thuật hóa học, việc phân tách các cấu tử hỗn hợp ban đầu là rất cần thiết nhằm mục đích hoàn thiện, khai thác, chế biến

Có rất nhiều phương pháp phân tách cấu tử, trong đó phương pháp chưng cất là một trong những phương pháp được sử dụng phổ biến Chưng cất là phương pháp tách hỗn hợp chất lỏng (cũng như khí đã hóa lỏng) thành những cấu tử riêng biệt, dựa trên độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp Khi tiến hành chưng cất thì thu được nhiều sản phẩm Thường hỗn hợp chứa bao nhiêu cấu tử thì có bấy nhiêu sản phẩm Nếu hỗn hợp có hai cấu tử thì:

- Sản phẩm đỉnh gồm cấu tử dễ bay hơi và một phần cấu tử khó bay hơi (P)

- Sản phẩm đáy gồm chủ yếu cấu tử khó bay hơi và một phần cấu tử dễ bay hơi (W)

Để có thể thu được sản phẩm đỉnh tinh khiết sẽ tiến hành chưng nhiều lần (còn gọi là chưng luyện) Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để tiến hành chưng cất Yêu cầu cơ bản của các thiết bị vẫn giống nhau: diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn để đảm bảo quá trình truyền khối, 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 đĩa, nếu pha lỏng phân tán vào pha khí ta có tháp đệm Với nhiệm vụ thiết kế là tính toán, thiết kế hệ thống thiết bị chưng luyện liên tục để phân riêng hỗn hợp lỏng chứa Ethyl acetate và Acetic acid bằng tháp đĩa chóp, làm việc ở áp suất khí quyển với năng suất 42 tấn/ngày, nồng độ cấu tử nhẹ trong hỗn hợp đầu là 38%, nồng độ cấu tử nhẹ trong sản phẩm đỉnh là 96%, nồng độ cấu tử trong sản phẩm đáy là 1.8%

Qua thời gian học tập và tìm hiểu em đã hoàn thành nội dung đồ án với 4 nội dung chính:

- Chương 1: Giới thiệu tổng quan

- Chương 2: Tính công nghệ thiết bị chính

- Chương 3: Tính cân bằng nhiệt lượng

- Chương 4: Kết luận.

Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Thanh Bình đã chỉ dẫn tận tình trong quá trình em thực hiện đồ án Đồng thời em cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô khác trong bộ môn cũng như các bạn đã giúp đỡ, cho em những ý kiến tư vấn bổ ích trong quá trình hoàn thành đồ án này Tuy nhiên do còn hạn chế về thời gian, kiến thức và kinh nghiệm nên trong đồ án còn khá nhiều thiếu sót, em rất mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp chỉ dẫn của quý thầy cô và các bạn

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 4

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 7

1 Tổng quan về sản phẩm: 7

1.1 Ethyl acetate: 7

1.2 Acetic acid: 7

1.3 Lí do phân tách hỗn hợp: 8

2 Tổng quan về quá trình chưng luyện: 8

2.1 Khái niệm: 8

2.2 Các phương pháp chưng: 8

2.3 Các thiết bị chưng cất: 8

3 Giới thiệu dây chuyền công nghệ: 9

3.2 Sơ đồ công nghệ: 9

3.3 Thuyết minh: 10

3.4 Nhiệm vụ đồ án: 10

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN

1. Tổng quan về sản phẩm:

1.1 Ethyl acetate:

- Ethyl acetate (công thức hóa học: CH3COOC2H5 ) tồn tại ở dạng chất lỏng không màu, có mùi quả ngọt đặc trưng của ester Nó hòa tan gồm ester, poly styrene, polyvinyl chloride, long não, cao su clo hóa, các chất nhựa khác và

là dung môi cho Nitrocellulose Nó hòa tan trong ether, alcohol, và tan ít trong nước Khối lượng phân tử 88,105 g/mol, đông đặc ở -83,6°C (189,4K)

và sôi ở 77,1°C (350,1K) dưới áp suất khí quyển Ethyl acetate có áp suất hơi 14kPa (ở 20°C) và độ nhớt 0,426 cP (ở 20°C)

- Ethyl acetate là một ester của ethanol và acetic acid, được sản xuất quy mô lớn dùng làm dung môi do chi phí thấp, độc tính thấp và có mùi dễ chịu

- Ethyl Acetate là dung môi bay hơi nhanh do Nitrocellulose Có mùi quả dễ chịu nên nó được dùng cho sơn cellulose và sơn móng tay Ngoài ra còn có

những ứng dụng khác: thuốc diệt nấm, trừ sâu; nước hoa, keo dán và xi măng

- Hiện nay có nhiều phương pháp để điều ché Ethyl acetate, một số phương pháp phổ biến có thể kể dến: phương pháp khử hydro của ethanol (được thực hiện với đồng ở nhiệt độ cao dưới 250°C), phản ứng este hóa fisher giữa ethanol và acetic acid (nhiệt độ phòng, H2SO4 là chất xúc tác), phản ứng Tishchenko (xúc tác là alkoxide)

1.2 Acetic acid:

- Acetic axit là chất lỏng không màu, có vị chua và hòa tan trong nước Khối

lượng riêng: 1,049 g/cm3 (l), 1,266 g/cm3 (s); nhiệt độ nóng chảy: 16,5oC,

nhiệt độ sôi: 118,2 oC Tan tốt trong xenlulozo và nitroxenlulozo

- Acetic acid (công thức hóa học: CH3COOH) là một cacboxylic acid quan

trọng nhất Dung dịch acetic acid loãng (5% theo thể tích) được tạo ra bằng các lên men và oxy hóa cảbohydrat tự nhiên được gọi là giấm; muối, este, hoặc axylal của acetic acid được gọi là axetat

- Về mặt công nghiệp, acetic acid được sử dụng để điều chế axetat kim loại,

được sử dụng trong một số quy trình in; vinyl axetat được sử dụng để sản xuất nhựa; xeluloza axetat được sử dụng trong sản xuất phim ảnh và hàng dệt và este hữu cơ dễ bay hơi được sử dụng rộng rãi làm dung môi cho nhựa, sơn mài và sơn

1.3 Lí do phân tách hỗn hợp:

-2 Tổng quan về quá trình chưng luyện:

2.1 Khái niệm:

- Chưng là quá trình tách hỗn hợp chất lỏng (cũng như các hỗn hợp khí đã hóa

lỏng) thành những cấu tử riêng biệt, dựa trên độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp Khi tiến hành chưng cất thì thu được nhiều sản phẩm Thường hỗn hợp chưa bao nhiêu cấu tử thì có bấy nhiêu sản phẩm Nếu hỗn hợp có hai cấu tử thì:

- Sản phẩm đỉnh gồm cấu tử dễ bay hoie và một phần cấu tử khó bay hơi (P)

- Sản phẩm đáy gồm chủ yếu cấu tử khó bay hơi và một phần cấu tử dễ bay

hơi (W)

2.2 Các phương pháp chưng:

a) Chưng đơn giản:

- Tách sơ bộ và làm sạch các cấu tử khỏi tạp chất (yêu cầu các cấu tử có độ bay hơi khác xa nhau)

b) Chưng bằng hơi nước trực tiếp:

- Tách các hỗn hợp gồm các chất khó bay hơi và tạp chất không bay hơi khác

xa nhau (chất được tách không tan trong nước)

c) Chưng luyện:

- Tách hoàn toàn hỗn hợp các cấu tử dễ bay hơi có tính chất hòa tan một phần hay hoàn toàn vào nhau Về thực chất đây là quá trình chưng nhiều lần để thu được sản phẩm tinh khiết

d) Chưng đẳng phí

2.3 Các thiết bị chưng cất:

- Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để tiến hành chưng cất Yêu cầu cơ bản của các thiết bị vẫn giống nhau: diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn để đảm bảo quá trình chuyển khối, điều này phụ thuộc vào mức độ phân tán của lưu chất này vào lưu chất kia

a) Thiết bị chưng luyện tháp đệm

- Tháp đệm là tháp hình trụ gồm nhiều bậc nối với nhau bằng mặt bích hay hàn Đệm được xếp vào tháp theo một trong hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp theo thứ tự

b) Thiết bị chưng luyện tháp đĩa

- Tháp đĩa là tháp thân hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các đĩa (mâm)

có cấu tạo khác nhau, trên đó pha lỏng và pha hơi được tiếp xúc nhau

3 Giới thiệu dây chuyền công nghệ:

3.2 Sơ đồ công nghệ:

1 Tháp chưng

2 Thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu

3 Thùng cao vị

4 Thiết bị đun sôi đáy tháp

6 Thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh

7 Thùng chứa sản phẩm đỉnh

8 Thùng chứa sản phẩm đáy

9 Thùng chứa nguyên liệu

3.3 Thuyết minh:

Hỗn hợp Acetic acid và Ethyl acetate là một hỗn hợp lỏng hòa tan hoàn tan vào nhau theo mọi tỷ

lệ.

Ta có T s, ethyl acetate = 77,1°C < T s,acetic acid = 118,2°C nên độ bay hơi của Ethyl acetate lớn hơn độ bay

hơi của Acetic acid Vậy nên sản phẩm đáy chủ yếu là Acetic acid và một phần rất ít Ethyl

actate, ngược lại sản phẩm đỉnh lại chủ yếu là Ethyl actate và một phần rất ít là Acetic acid.

Tiến trình: Trước hết hỗn hợp Acetic acid và Ethyl acetate từ thùng chứa (9) được bơm vào

thùng cao vị (3) rồi được đưa vào thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu (2), tại đây dung dịch được đun

nóng đến nhiệt độ sôi bằng hơi nước bão hòa Sự có mặt của thùng cao vị đảm bảo cho lượng

hỗn hợp đầu vào tháp không dao động, trong trường hợp công suất bơm quá lớn, hỗn hợp đầu sẽ

theo ống tuần hoàn tràn về bể chứa hỗn hợp đầu Ra khỏi thiết bị đun nóng, dung dịch đi vào

tháp chưng luyện (1) ở vị trí đĩa tiếp liệu, trên đĩa tiếp liệu chất lỏng được trộn với phần lỏng từ

đoạn luyện của tháp chảy xuống Ở đây, trên mỗi đĩa xảy ra quá trình truyền khối giữa hai pha

lỏng chuyển động trong đoạn chưng giảm Ngược lại, càng lên cao nhiệt độ càng giảm dần nên

khi hơi nước từ dưới đi lên đi qua các đĩa thì các cấu tử có nhiệt độ sôi cao hơn là Acetic acid sẽ

ngưng tụ lại, cuối cùng ở đỉnh tháp ta thu được sản phẩm đỉnh có nồng độ cấu tử dễ bay hơi là

Ethyl acetate nhiều nhất Hơi được dẫn vào thiết bị ngưng tụ (5) và được ngưng tụ lại Một phần

chất lỏng ngưng đi qua thiết bị làm lạnh (6) đến nhiệt độ cần thiết rồi đi vào thùng chứa sản

phẩm đỉnh (7) Một phần khác hồi lưu về tháp ở đĩa trên cùng để tăng mức độ tách Ở đáy tháp ta

thu được sản phẩm đáy có nồng độ cấu tử khó bay hơi là Acetic acid Sản phẩm sau khi ra khỏi

đáy tháp được đưa vào thiết bị đun sôi ở đáy tháp (4), tại đây một phần hỗn hợp lỏng sẽ bốc hơi

cung cấp lại cho tháp để tiếp tục quá trình chưng cất, phần lỏng còn lại được dẫn qua thiết bị làm

lạnh sản phẩm đáy rồi đi vào thùng chứa sản phẩm đáy (8)

3.4 Nhiệm vụ đồ án:

Tính toán và thiết kế hệ thống thiết bị chưng luyện liên tục để phân riêng hỗn hợp lỏng chứa Ethyl acetate + Acetic acid bằng tháp đĩa chóp, làm việc ở áp suất khí quyển

Số liệu ban đầu:

- Năng suất (tấn/ngày): 42

- Nồng độ cấu tử trong hỗn hợp đầu (% khối lượng): 38%

- Nồng độ cấu tử nhẹ trong sản phẩm đáy (% khối lượng): 1.8%