Đồ án thiết kế thực hành tính toán hệ thống và thiết kế thiết bị công nghệ hóa học

Chưng cắt là một phương pháp tách dùng nhiệt đề tách hỗn hợp đồng thê dung địch của các chất lỏng, khí khác nhau thành các cầu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau sẽ đưa đến hóa

TRUONG DAI HOC CONG NGHIEP

TP.HCM KHOA CONG NGHE HOA HOC

°

INDUSTRIAL UNIVERSITY OF HOCHIMINH CITY

DO AN THIET KE

THUC HANH TINH TOAN HE THONG VA THIET

KE THIET BI CONG NGHE HOA HOC

Giang vién huéng dan: Th.S Nguyén Minh Tién

Sinh viên: Trần Thị Thùy Dung

MSSV:19439871

2 Nhiệm vụ (yêu cầu về nội dung và số liệu ban đầu)

+ Số liệu ban đầu:

- Nông độ nhập liệu 30 % phần mol acetone

- Nồng độ sản phâm đỉnh 85 % phần mol acetone

- Nông độ sản phẩm day 5 % phan mol acetone

- Cac thong số khác tự chọn

CHUONG I: TONG QUAN

1 Tổng quan vẻ chưng cất

1.1 Chưng cất là gì?

Chưng cắt là một phương pháp tách dùng nhiệt đề tách hỗn hợp đồng thê (dung địch)

của các chất lỏng, khí khác nhau thành các cầu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác

nhau sẽ đưa đến hóa chất tính khiết hơn

1.2 Bản chất

Dựa vào nhiệt độ sôi hay nhiệt độ bay hơi khác nhau để tách các cầu tử bằng cách

lặp đi lặp lại nhiều lần quá trình bay hơi và ngưng tụ

Chưng cất phân đoạn

Chưng cất phân đoạn là một trong những phương pháp kinh điển dùng đề tách các chất

bay hơi ra khỏi một hôn hợp dựa vào sự khác biệt nhiệt độ sôi của các chât trong hôn

hợp

& Chung cit léi cubn

Phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước dựa trên sự khuếch tán và lôi cuốn theo hơi nước của những hợp chât hữu cơ trong tình dâu khi tiếp xúc với hơi nước ở nhiệt độ cao

Sự khuếch tán sẽ dé dàng khi tế bào chứa tĩnh dâu trương phông do nguyên liệu tiêp xúc

với hơi nước bão hòa trong một thời gian nhật định

Rượu và các hỗn hợp đẳng phí

Ứng dụng lâu đời nhất và đồng thời là được biết đến nhiều nhất của chưng cất là sản

xuất rượu mạnh Đặc biệt, một tỷ lệ nhất định của hỗn hợp hai chất lỏng mà không thê

tiếp tục tách bằng phương pháp chưng cất được nữa Các hỗn hợp này được gọi là hỗn hợp đăng phí Nếu muốn tăng nồng độ của cồn phải dùng đến các phương pháp tính cất

1.4 Các phương pháp chưng cất

s* Chưng cất đơn giản

Đây là quá trình chưng cất dùng đề tách các hỗn hợp gồm có các cầu tử có độ bay hơi khác nhau Phương pháp này thường dùng để tách sơ bộ hoặc làm sạch các cấu tử khỏi

tạp chất

Cách tiến hành: Vật liệu được nạp vào noi chưng Tại đây, vật liệu sẽ được đun nóng

trực tiếp bằng củi hoặc than hoặc gián tiếp qua bộ phận truyền nhiệt đến nhiệt độ bay hơi

Khi sôi hơi bốc lên được ngưng tụ trong thiết bị làm lạnh Chất lỏng được thu vào bình chứa, các chất bã hoặc dung dịch khó bay hơi sẽ được tháo ra ngoài

Nếu muốn thu được sản phâm có độ tinh khiết cao hơn thì họ sẽ sử dụng phương pháp

chưng cất đơn giản có hồi lưu tức là một phần khí bốc lên sẽ ngưng tụ tại thiết bị hồi lưu

roi trở lại nồi chưng, phân còn lại qua thiết bị làm lạnh đề trở nên tinh khiết hơn

s* Chưng cất bằng hơi nước trực tiếp

Đây là phương pháp dùng đề tách các hỗn hợp gồm các chất khó bay hơi và tạp chất không bay hơi, thường được ứng dụng trong trường hợp chất được tách không tan trong nước Dây là phương pháp được dùng trong trường hợp cần hạ thấp nhiệt độ sôi của cầu

tử

Cách tiến hành:

Phun hơi nước bão hòa hoặc quá nhiệt qua lớp chất lỏng bằng một bộ phận phun Trong quá trình tiếp xúc giữa hơi nước và chất lỏng, các cấu tử cần tách sẽ khuếch tán vào hơi Hỗn hợp hơi nước và cấu tử bay hơi sẽ được ngưng tụ và tách thành sản phẩm

Ưu điểm của chưng cất bằng hơi nước trực tiếp đó là giảm được nhiệt độ sôi, chủng ta có

tách khi nó chưa đến nhiệt độ sôi của nó

s* Chưng luyện

Đây là phương pháp phô biên nhất đùng đề tách hoàn toàn hỗn hợp các cầu tử bay hơi

có tính chất hòa tan một phần hoặc hòa tan hoàn toàn vào nhau Chưng luyện ở áp suất thấp dùng cho các hỗn hợp dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao và hỗn hợp có nhiệt độ sôi quá cao

Cách tiến hành:

Phương pháp chưng cất đơn giản không thu được sản phẩm có nồng độ tỉnh khiết cao

vì vậy ta sẽ tiên hành chưng cât đơn giản nhiêu lân Chỉ thu được một sản phâm đáy có nhiều câu từ ít bay hơi ta có một cách đó là cho các sản phâm đáy của nổi sau lần lượt quay lại nối trước

Ưu điểm: Sản phẩm thu được có độ tinh khiết cao

Nhược điểm: Bộ máy như vậy rất cong kẻnh

Giới thiệu sơ bộ về nguyên liệu

1.2.1 Acetone

Tinh chat vat ly:

¢ Khoi luong phan tt :

se - Khối lượng riêng

® - Nhiệt độ nóng chảy

e Nhiệt độ sôi :

1.2.2 Acid acetic

1.2.2.1 Tinh chat

Acid acetic nóng chảy ở 16.6 %C, điểm sôi ở 118 °C, hỗn hợp tan trong

nước với mọi tỷ lệ Trong quá trình hỗn hợp với nước có sự co thê tích, với tỷ trọng cực đại, chứa 733% axit acetic (D= 1.078 va 1.0553 doi voi acid thuân khiết) Người ta không thê suy ra được hàm lượng của acid acefic trong nước từ tỷ trọng của nó, ngoại trừ đôi

với các hàm lượng dưới 439%

Tính ăn mòn kim loại:

+ Acid acetic an mon dat

+ Nhôm bị ăn mòn bởi acid loãng, nó dé kháng tốt đối với acid acetic đặc và thuần

khiết Đông và chỉ bị ăn mòn bởi acid acetic với sự hiện diện của không khí

+ Thiếc và một số loại thép nikel — crom dé khang tốt với acid acetic Acid acetic thuần khiết còn gọi là acid glaxial bởi vì nó đễ đàng đông đặc kết tính như nước đá ở dưới 17°C, được điều chế chủ yếu bằng sự oxy hóa đối với andehit acetic Không màu sắc, không vị chua, tan trong nước và côn etylic

1.2.2.2 Điều chế

Axit acetic được điều chế bằng cách:

+ Oxy hóa có xúc tác đối với etylic đề biến thành andehit acetic, là một giai đoạn trung gian Sự oxy hóa kéo dài sẽ tiếp tục oxy hóa andehit axetic thành axit axetic CH;CHO + =0: = CH;COOH

C;H;OH + O; = CH;COOH + H;O

+ Oxy hóa andehit axetic được tạo thành bằng cách tông hợp từ acetylen

Sự oxy hóa andehit được tiễn hành bằng khí trời với sự hiện điện của coban acetat

Người ta thao tác trong andehit acetic ở nhiệt độ gần 80°C để ngăn chặn sự hình thành

của peroxit Hiệu suất đạt 95 — 98% so với lý thuyết Người ta đạt được như thé rat dé dang sau khi ché acid acetic két tinh duoc

iL coban axetat ở 80°C

CH;CHO+ 202 —————›CH;C00H

+ Tổng hợp đi từ cồn metylic và cacbon oxi

Hiệu suất có thê đạt được là từ 50 — 60% so với lý thuyết bằng cách cô định

cacbon oxit trên cồn metylic qua xúc tác

Nhiệt độ từ 200 - 500°C, áp suất 100 — 200atm

¢ Lam dam ăn (dâm ăn chứa 4,5% acid acetic)

® - Làm đông đặc nhựa mủ cao su

¢ Lam chat dẻo tơ sợi xunluloza acetat — làm phim ảnh không nhảy lựa

Lam chất nhựa kết dính polyvinyl acetat

Làm các phâm màu, được phâm, nước hoa tổng hợp

Acetat nhôm đùng làm chất căn màu (mordant trong nghề nhuộm)

Phân lớn các ester acetat đều là các dung môi, ví dụ: izoamyl acetat hòa tan

được nhiều loại nhựa xenluloza

CHUONG 3: CAN BANG VAT CHAT VA CAN BANG

NANG LUQNG

3.1 Cân bằng vật chất

3.1.1 Các thông số ban đầu

Chung cất hỗn hợp Acetone — Acetic acid

Đề: Tính toán hệ thống và thiết kế thiết bị tháp mâm chớp chưng cất hỗn hợp Acetone — Acetic acid với năng suất nhập liéu 1900 kg/h

- Nông độ nhập liệu 30 % phần mol acetic

- Nồng độ sản phâm đỉnh 85 % phần mol acetic

- Nồng độ sản phâm đáy 5 % phần mol Nước

- Các thống số khác tự chọn

3.1.2 Các ký hiệu

X; nông độ phân khối lượng dòng nhập liệu

X; nồng độ phân khối lượng dòng sản phẩm đỉnh

Ấy nồng độ phân khối lượn dòng sản phâm đáy

F xuất lượng mol đòng nhập liệu ( mẻ )

k Gaxudt long dong nhap liu (+)

3.1.3 Tính toán suất lượng các dòng của hệ thống

Xp =0.85 Tolhh Xp ~ 9-85 kmolhh › Xp = 9-15 Gnothh

_ kmol _—_ yA _ kmol B_ kmol

Xw = 0.05 kmolhh Xự=0.05 kmolhh ° Xự = 0.95 kmolhh

=>X = 0.567 X= 0.44 =

Chỉ số hồi lưu thích hợp (từ điều kiện thê tích tháp nhỏ nhất): thiết lập mối quan hệ giữa

chỉ số hồi lưu và thê tích tháp Rx — V Thể tích làm việc của tháp tỉ lệ với tích số mx(Rx + 1), trong đó mx là số đơn vị chuyền khối (số mâm lí thuyết) Cho lần lượt các giá trị bị tương img voi bi ¢ [1,2 + 2,5] ta duoc Rx tương ứng theo công thức Rx = bị Rmin, sau đó ta thu được các giá trị mx tương ứng [3| trang 159

Từ đó ta suy ra được mỗi liên hệ R và Rmin : Rx =bi Rmin

Bảng 3.2 Mối liên hệ giữa R và R„„

Sé mam ly thuyét Nir = 8

Hinh 3.3: Dé thi xác định số mâm lý thuyết khi b = 1.4

Sé mam ly thuyét Nir =7.8

Số mâm lý thuyết N.+ = 7

xX

Hinh 3.5: Dé thi xác định số mâm lý thuyết khi b = 18

Số mâm lý thuyết NÑ.; = 6.5

Số mâm lý thuyết N.; = 6.3

/ ; ý +

4

a

/ ;

+ , +

f= 5= 499 = 3.202 _R+f, fel, _ 0.6+3.202 , 3.202-1

=> y = 2.376x — 1.376

xX

Hình 3.9: Đồ thị biểu hiện số mâm lý thuyết của tháp chưng chất mâm chop

=>S6 mam ly thuyét Nur = 6 mam

Xác định số mâm thực tế:

Giản đồ tra hiéu xudt y theo au

Độ bay hơi tuyệt đối của cầu tử đễ bay hơi

Hội pI=s, 31 x 10+ N sim

LogHn = Xr log tụ + (1 — Xe) log tr

Tu Xw = 0.05 => Y'w= 0.15

y= 0.15 1-0.05 1-015 0.05

Vậy số mâm thực tế của tháp chưng cất mâm chop hệ Acetone — Acid acetic

3.1.6 Tính toán lượng hơi ra khỏi đỉnh và đáy tháp chưng cất

Vy , „kg,

Ga: Lượng hơi ra khỏi đính tháp ( ae

P: Lưu lượng sản phẩm đỉnh cực

t; :Nhiệt độ dòng nhập liệu °C

t;: Nhiệt độ tại đỉnh sau khi ra khỏi tháp chưng cát °C

đ¡: Lưu lượng hơi đi vào đoạn cất é)

#r Hàm lượng hơi ổi vào đoạn cất é)

G;:Lưu lượng ở đĩa thứ nhật của đoạn cât( Tố

r;: Ân nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất

`: Hàm lượng lỏng đi vào đoạn chưng Cg é

G"; Luu hong long đi vào đoạn chưng 2)

®© Lượng hơi ra khỏi đỉnh tháp:

Gain =P (Ra + 1) = 630.37 (0.6 + 1) = 1008.592 (Be

k g,=895.46-8

Dựa vào đường cân bằng hỗn hợp Acetone — Acid Acetic => Yy=0.16

g, X414.77=895.46x 434.93 G,=g,+1985.7 G;X;=g,0.155+99.28 g¡* 414.77 =389462.42

G,=2924.68 “a

x -0.08 ⁄đ X,=0.08 ig g,= 938.98 “

CHUONG 4: CAN BANG VAT CHAT VA CAN BANG

NANG LUONG CHO TUNG THIET BỊ

Ly: Luu luong hoan luu vé thap h

Dị: Lưu lượng hơi đốt cần gia nhiệt cho thiét bi gia nhap ligu E-101 “2

D;: Lưu lượng hơi đôt cân gia nhiệt cho thiệt bị đun nóng E~- 03 T

Gai: Lượng nước cần dùng cho thiết bị E- 102 1

Gyo: Lượng nước cần dùng cho thiết bị E- 104 “

Gyo: Luong nude can dung cho thiet bi E-106 =

C¿: Nhiệt dưng riêng hỗn hợp nhập liệu eC

Cpp: Nhiét dung riéng cua san pham dinh gt

Con: Nhiét dung riéng cia nước `

g °C t„: Nhiệt độ dòng nhập liệu °C

t„: Nhiệt độ dòng nhập liệu được gia nhiệt bởi thiết bị E-104 °c tfz„: Nhiệt độ dòng nhập liệu sau khi gia nhiệt đến nhiệt độ sôi °C

Ru: Chi số hồi lưu thích hợp

tp: Nhiệt độ tại đỉnh sau khi ra khỏi tháp chưng cất °C t„„: Nhiệt độ sau khi ra thiết bị làm nguội E-104 %C

G;: Lưu lượng lỏng đi vào đoạn chưng Th

h›:: entanpy hơi thiết bị gia nhiệt nhập liệu FE-101 fa

hp;: entanpy hơi thiệt bị đun nóng kettel E- 103 kg

kJ hp: entanpy hoi thiét bi ngung tu E-102 kg

rp: nhiệt hóa hơi thiết bị gia nhiệt ngưng tụ E-102 ig

© Cho lugng nusc vao cac thiết bi

ty = 30 °C typ = 45 °C

kJ

C pN y= 4.178 — kg °C

4.3.Cân bằng vật chất và năng lượng cho từng thiết bị

4.3.1.Thiết bị gia nhiệt nhập liệu E-101

2>0.95.D, 4.3.2 Cân băng vật chất cho thiết bị ngưng tụ E-102

G gina bp + Gat.Cpn.tav = Gainn.Cpp.te + Gat.Cpn- tar + Qha

0.95.Gain| hp—C tạ+G„¡ Coy Ew=Gat- Cun: Tự

0.95 x 1008.592 x|595.39— 2.31 x 65.3]+Œ,,x 4.178 x30=G,¡x 4.178 x45

kg

=> Gui = 6796.68 =

©_ Cân bằng năng lượng:

Nếu quá trình ngưng tụ không làm lạnh:

nye Sài a a kJ

rp: Nhiệt hóa hơi của sản phâm đỉnh kg

TA TA x noo A as kJ

C,: Nhiệt dung riêng hôn hợp của sản phâm đính kgC

ty, t: Nhiét d6 vao va ra cua nude °C

ae a en, KG

G: Lưu lượng giải nhiệt bh

và ` v HA oo ain, kJ

C: Nhiét dung néng của dòng giải nhiệt kg °C

t;: Nhiệt độ của san pham dinh sau khi lam lanh °C

Q„„;: Nhiệt mất mát ở thiết bị ngưng tụ

: ` À ^ 1À koa 4k vn CA 21 TÁU 1 TA ^+ kmol

Gọi X¡¡ là nông độ phân mol câu tử dé bay hơi đi vào thiết bị làm nguội E-105 kmolhh

kJ C,=2.206

ọ kg°C

Quis = 5% Qee

Gy.Cy.tot Dy =Gyy yy tW Cy.tyt+D,.Cy.ty+Q,3

6>Gg Cg ty+ Dy hp — Dy Cy ty = Gig Aig tW Cw by + Qh

b>Gy Cy tot 0.95 D, hy, —Cy ty) =Gyy yy tW Cy by

¿>2924.68 x 2.497 x 112.85 +0.95 x D, | 2710.8—2.206 x 120) =938.98 x 688.16+ 1985.7 x 2.5 x 114.9

=>D,=168.87 un

4.3.4 Cân bằng vật chất cho thiết bị làm nguội E-104

Cho nhiệt độ sau khi ra khdi thiét bi lam ngudi t,, = 30°C

Cho Qits = 5% Qee

P.C,, tp+G,y.Cyy-tyy=P.C,p.t +Gyy- Cyt Qua

<=> 0.95% P.C,p| tp ty} Gyo Coy t= Gyo Coy ty

<=> 0,95* 630.37 2.31 x 65.3+G,,, x 4.178 x 30=G,, x 4.178 x 45

=> Gu = 1441.4 “s

©_ Cân bằng năng lượng:

Chọn nhiệt độ sản phẩm day: "a oc

Nhiệt độ nhập liệu cho vào £z„—30 *C

Nhiệt độ sản phẩm đáy ra khỏi E-105: t`y = 45°Œ

E.Cz.t,+W Cy[ty—tvyEE.Cz.tz+W.Cự.fụ

Nhiệt độ sản phẩm đáy ra khỏi thiết bị làm nguội f„„ 30 °C

W Cow -tw+Gy3-C py- ty =W C yw tp +Gua-C pn tr + Ques

<=> 0.95 W Coy tw+Gy3.C py t„=W Cow tự tOng CN tn,

<=> 0,95* 1985.7 x 2.5 x [45—30]+GŒ,; x 4.178 x30=G,; x 4 178 x45

=>G,;=1128.78.1

©_ Cân bằng năng lượng

tựụ,=30 °C Chọn nhiệt độ sản phẩm đáy |,” _ yoo

Lm

Nhiệt độ trung bình dòng sản phẩm đáy:

tw lw, 30445 _ „co wib= T5 “= 5 = 37.5 °C

_ kJ CẠ=2.232 1S

kJ kg°C

CHUONG 5: TINH TOAN THIET BI CHUNG CAT

5.1 Đường kính và chiều cao tháp chưng cất mâm chóp

5.1.1 Đường kính tháp chưng cât mầm chop

Đường kính của tháp chưng cất được xác định theo công thức sau:

® L wong hoi trung binh di trong doan cat: g,,= a ` 4 _ Gann 1

® Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng:

gi: lượng hơi đi vào đĩa đưới cùng của đoạn cất

Oi tGn_ Git

b>

Với:

g„: Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng lại

g,: Lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng Iụ

g„ = 0¡: Lượng hơi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng hơi vào đoạn luyện

MI,M;: Khôi lượng mol của câu tử 1 và cầu tử 2 lấn

T: Nhiệt độ trung bình làm việc ứng với đoạn chưng, đoạn luyện (K)

kmol kmolhh

You Nong độ mol theo cấu tử 1 theo nhiét d6 trung bình

+

vài được xác định y„¡= =>

Với Y„:› yc:: Nồng độ tại 2 đầu đoạn tháp (trong chưng luyện là giữa điểm tiếp liệu và

kmol kmolhh