Tổng hợp dầu thô sdsdsda

1. Tổng quan 1.1. Giới thiệu đồ án sách kỹ thuật sản xuất cồn 1.2. Lý thuyết về chưng luyện 1.2.1. Phương pháp chưng luyện: Chưng luyện là quá trình dùng để phân tách hỗn hợp lỏng cũng như hỗn hợp khí- lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào sự khác nhau về độ bay hơi của chúng (hay nhiệt độ sôi khác nhau ở cùng áp suất), bằng cách lặp đi lặp lại nhiều lần quá trình bay hơi- ngưng tụ, trong đó vật chất đi từ pha lỏng vào pha hơi hoặc ngược lại. Khác với cô đặc, chưng luyện là quá trình trong đó cả dung môi và chất tan đều bay hơi, còn cô đặc là quá trình trong đó chỉ có dung môi bay hơi còn chất tan không bay hơi. (1) Khi chưng luyện ta thu được 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 hệ cấu tử thì ta thu được 2 sản phẩm: sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm gồm cấu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt độ sôi nhỏ), sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi bé (nhiệt độ sôi lớn). Đối với hệ ethanol- nước, sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm etanol và một ít nước, ngược lại sản phẩm đáy chủ yếu gồm nước và một ít ethanol. Các phương pháp chưng luyện có thể được phân loại theo: (9) Áp suất làm việc: chân không; áp suất thường hoặc áp suất cao.  Số lượng cấu tử trong hỗn hợp: hệ hai cấu tử; hệ có ba hoặc số cấu tử ít hơn mười và hệ nhiều cấu tử (lớn hơn mười).  Phương thức làm việc: liên tục; gián đoạn. 1.2.2. Thiết bị chưng luyện (1) Trong sản xuất thường sử dụng rất nhiều loại tháp để thực hiện quá trình chưng luyện. Tuy nhiên chúng đều có một yêu cầu cơ bản 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. Tháp chưng cất rất phong phú về kích cỡ và ứng dụng, các tháp lớn nhất thường được ứng dụng trong công nghiệp lọc hoá dầu. Lớn và phức tạp là các tháp dùng để chưng cất các dung môi, không khí lỏng và công nghiệp hóa chất nói chung. Kích thước của tháp (đường kính và chiều cao tháp) tuỳ thuộc vào suất lượng pha lỏng, pha khí của tháp và độ tinh khiết của sản phẩm. Ta khảo sát 2 loại tháp chưng cất 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 để chia thân tháp thành những đoạn bằng nhau, 1 trên mâm pha lỏng và pha hơi được cho tiếp xúc với nhau. Tùy theo cấu tạo của mâm, 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 dạnh khác. Ở chóp có rãnh xung quanh để pha khí đi qua, rãnh chóp có thể có hình chữ nhật, tam giác hay hình tròn. Theo nghiên cứu thì hình dánh của rãnh không ảnh hưởng nhiều lên quá trình truyền khối.  Tháp mâm xuyên lỗ: Trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh, đường kính lỗ từ 123 ÷ mm, tổng tiết diện các lỗ trên mâm chiếm từ %158 ÷ tiết diện của tháp. Các lỗ được bố trí trên các đỉnh tam giác đều, khoảng cách giữa hai tâm lỗ bằng 55,2 ÷ lần đường kính. Bề dầy mâm thường bằng 10/810/4 ÷ đường kính lỗ nếu làm bằng thép không gỉ, nếu làm bằng thép carbon hay hợp kim đồng thì bề dày hơi lớn hơn tỷ lệ trên. Mâm phải thật ngang bằng khi lắm vào tháp. Đối với những tháp có đường kính quá lớn (> 2,4 m), ít dùng mâm xuyên lỗ vì khi đó chất lỏng phân phối không đều trên mâm.  Tháp chêm: là một 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. * So sánh ưu và nhược điểm của các loại tháp : Tháp chêm Tháp mâm xuyên lỗ Tháp mâm chóp Ưu điểm:  Đơn giản  Trở lực thấp  Hiệu suất tương đối cao  Hoạt động khá ổn định.  Làm việc được với chất lỏng bẩn  Hiệu suất cao  Hoạt động ổn định Nhược điểm:  Hiệu suất thấp  Độ ổn định kém  Thiết bị nặng  Trở lực khá cao.  Yêu cầu lắp đặt khắt khe: lắp đĩa thật phẳng.  Cấu tạo phức tạp  Trở lực lớn  Không làm việc với chất lỏng bẩn 2 1.3. Tính chất nguyên liệu Nguyên liệu là hỗn hợp ethanol - nước, có nồng độ là 12% (kl ethanol/ kl hỗn hợp). 1.3.1. Ethanol Ethanol, còn được biết đến như là rượu êtylic, ancol etylic, rượu ngũ cốc hay cồn, là một hợp chất hữu cơ, nằm trong dãy đồng đẳng của rượu metylic, dễ cháy, không màu, là một trong các rượu thông thường có trong thành phần của đồ uống chứa cồn. Trong cách nói dân dã, thông thường nó được nhắc đến một cách đơn giản là rượu Ethanol có nhiều ứng dụng hơn methanol, nó đóng một vai trò quan trọng trong nền kinh tế quốc dân. Nó là nguyên liệu dùng để sản suất hơn 150 mặt hàng khác nhau và được ứng dụng rộng rãi trong các ngành: công nghiệp nặng, y tế và dược, quốc phòng, giao thông vận tải, dệt, chế biến gỗ và nông nghiệp. Hình 1.1. Sơ đồ tóm tắt vị trí của etanol trong các ngành công nghiệp. Có nhiều phương pháp điều chế etanol: hydrat hoá etylen với xúc tác H 2 SO 4 ; thuỷ phân dẫn xuất halogen và ester của ethanol khi đun nóng với nước xúc tác dung dịch base; hydro hoá aldehyde acetic; từ các hợp chất cơ kim… 3 Thuốc súng không khói Nhiên liệu hoả tiễn, bom Động lực Thuốc trừ sâu Sơn + Vecn i. Đồ nhựa Keo dán + Hương liệu. Sát trùng Pha chế thuốc Thuốc nhuộm + Tơ nhân tạo. Rượu mùi Dấm Dung môi hữu cơ: pha sơn… + Nguyên liệu. Công nghiệp cao su tổng hợp + Động lực. Nhiên liệu Ethanol Trong công nghiệp, điều chế etanol bằng phương pháp lên men từ nguồn tinh bột và rỉ đường. Những năm gần đây, ở nước ta công nghệ sản suất ethanol chủ yếu là sử dụng chủng nấm men Saccharomyses cerevisiae để lên men tinh bột: C 6 H 6 O 6 2 C 2 H 5 OH + 2CO 2 + 28 Kcal Trong đó: 95% nguyên liệu chuyển thành ethanol và CO 2 . 5% nguyên liệu chuyển thành sản phẩm phụ: glycerin acid succinic, dầu fusel, metylic và các acid hữu cơ (lactic, butylic…). 1.3.2. Nước Trong điều kiện bình thường: nước là chất lỏng không màu, không mùi, không vị nhưng khối nước dày sẽ có màu xanh nhạt. Khi hóa rắn nó có thể tồn tại ở dạng 5 dạng tinh thể khác nhau: Khối lượng phân tử: 18 g/mol Khối lượng riêng d 4 : 1 g/ml Nhiệt độ nóng chảy: 0 o C Nhiệt độ sôi: 100 o C Nước là hợp chất chiếm phần lớn trên trái đất (3/4 diện tích trái đất là nước) và rất cần thiết cho sự sống. Nước là dung môi phân cực mạnh, có khả năng hoà tan nhiều chất và là dung môi rất quan trọng trong kỹ thuật hóa học. 1.3.3. Hỗn hợp ethanol – nước Bảng 1.1. Thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp ethanol – nước ở 760 mmHg (% mol) 4 Nấm men Zymaza 5 x (% mol) 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 y (% mol) 0 33, 2 44, 2 53, 1 57, 6 61, 4 65, 4 69, 9 75, 3 81, 8 89, 8 100 t ( o C) 100 90, 5 86, 5 83, 2 81, 7 80, 8 80, 0 79, 4 79, 0 78, 6 78, 4 78, 4 Hình 1.2. Đường cân bằng và đường làm việc của hệ ethanol – nước 6 Hình 1.3. Đồ thị cân bằng pha hệ ethanol – nước 1.4. Công nghệ chưng cất hệ ethanol – nước Ethanol là một chất lỏng tan vô hạn trong nước, có nhiệt độ sôi là 78,3 o C ở 760mmHg. Nhiệt độ sôi của nước là 100 o C ở 760mmHg, cách biệt khá xa so với ethanol nên phương pháp hiệu quả để thu ethanol có độ tinh khiết cao là phương pháp chưng luyện. Trong trường hợp này, ta không thể sử dụng phương pháp cô đặc vì các cấu tử đều có khả năng bay hơi, và không sử dụng phương pháp trích ly cũng như phương pháp hấp thụ do phải đưa vào một pha mới để tách, có thể làm cho quá trình phức tạp hơn hay quá trình tách không được hoàn toàn. * Sơ đồ qui trình công nghệ chưng cất hệ Etanol – nước: Chú thích các kí hiệu trong qui trình: 1 . Bồn chứa nguyên liệu. 2 . Bơm. 3 . Bồn cao vị. 4 . Lưu lượng kế. 6 . Thiết bị đun sôi nhập liệu. 7 . Bẫy hơi. 7 8 . Tháp chưng cất. 9 . Nhiệt kế. 10 . Áp kế. 11 . Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh. 12 . Nồi đun. 13 . Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh. 14 . Bồn chứa sản phẩm đỉnh. 15 . Bồn chứa sản phẩm đáy. 16 . Bộ phận phân dòng. 8 9 * Thuyết minh qui trình công nghệ: Hỗn hợp ethanol – nước có nồng độ ethanol 12% (theo khối lượng), nhiệt độ khoảng 28 o C tại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3). Từ đó được đưa đến thiết bị đun sôi dòng nhập liệu (6), sau đó hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất (8) ở đĩa nhập liệu. Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn cất của tháp chảy xuống. Trong tháp hơi, đi từ dưới lên gặp chất lỏng từ trên xuống. Ở đây, có sự tiếp xúc và trao đổi giữa hai pha với nhau. Pha lỏng chuyển động trong phần chưng 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 ethanol chiếm nhiều nhất (có nồng độ 90% khối lượng). Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ (11) và được ngưng tụ hoàn toàn. Một phần chất lỏng ngưng tụ đi qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (13), được làm nguội đến 35 0 C , rồi được đưa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh (14). Phần còn lại của chất lỏng ngưng tụ đựơc hoàn lưu về tháp ở đĩa trên cùng với tỷ số hoàn lưu tối ưu. 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). Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độ ethanol là khối lượng, còn lại là nước. Dung dịch lỏng đáy đi ra khỏi tháp vào nồi đun (12). Trong nồi đun dung dịch lỏng một phần sẽ bốc hơi cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại ra khỏi nồi đun được trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu trong thiết bị (5) (sau khi qua bồn cao vị). Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là ethanol, sản phẩm đáy được thải bỏ. 10 [...]... đĩa nhập liệu Độ bay hơi tương đối của hỗn hợp nhập liệu: α= y F 1 − xF 0,3352 1 − 0,0510 ⋅ = ⋅ = 9,3842 1 − yF xF 1 − 0,3352 0,0510 Độ nhớt hỗn hợp nhập liệu 12% khối lượng, nhiệt độ 90,5oC: µ = 0,368 cP αµ = 9,3842 ⋅ 0,368 = 3,4534 Tra trên đồ thị, ta xác định được: η F = 0,365  Hiệu suất đĩa đỉnh tháp Độ bay hơi tương đối của hỗn hợp đỉnh: Độ nhớt hỗn hợp đỉnh tháp 90% khối lượng, nhiệt độ 78,7oC:... đĩa thứ nhất của đoạn chưng l r’ - ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng  l tính r’ – ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào trong đĩa thứ nhất của đoạn chưng W ứng với phần mol ethanol trong lỏng x = 0,001962 ta tra được phần mol tương ứng W  l W o của ethanol trong hỗn hợp hơi là y = 0,0257, nhiệt độ hỗn hợp t’ = t = 100 C tra cứu tài liệu tham khảo(4), ta có: Ẩn... thích hợp, từ đó có thể tính được quan hệ thích hợp giữa Nlt và R Bảng 2.1 Quan hệ giữa số đĩa lý thuyết và chỉ số hồi lưu R ϕ N R.N 1,6 0,300 18,9389 30,3022 1,8 0,278 14,1707 25,5073 2,0 0,260 12,7368 25,4736 2,2 0,243 11,7779 25,9114 2,4 0,229 11,0614 26,5474 12 Hình 2.1 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa N.R và R Chọn chỉ số hồi lưu làm việc R = 1,87 Tính đại lượng φ = xD = 0,271 R +1 Số bậc tổng. .. liệu tại đĩa số 6 13 Hình 2.2 Số đĩa lý thuyết và chỉ số hồi lưu thích hợp  Lưu lượng các dòng Khối lượng phân tử của hỗn hợp đầu: M F = xF M E + (1 − xF ) M N = 0,051 ⋅ 46 + (1 − 0,051) ⋅ 18 = 19,418 o Khối lượng riêng tại 90,5 C: Của nước: ρ N = 965 kg/m3 Của rượu etylic: ρ E = 725 kg/m3 Xem như năng suất 1 m3/h là thể tích của hỗn hợp tại 28oC, ta sẽ tra khối lượng riêng từng cấu tử tại nhiệt độ này... xD = = = 0,779 90 100 − 90 x D 100 − xD + + 46 46 ME MN xW 0,5 ME 46 xW = = = 1,962 × 10 −3 0,5 100 − 0,5 xW 100 − xW + + 46 46 ME MN Hỗn hợp nhập liệu ở trạng thái lỏng sôi, do vậy lượng nhiệt cần để bay hơi 1 mol hỗn hợp nhập liệu bằng với ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đó Vì vậy yếu tố caloric q = 1 11  Chỉ số hồi lưu nhỏ nhất Rmin Từ điểm A (xD, xD) nằm trên đường chéo của hình vuông, kẻ tiếp tuyến... thích hợp Chỉ số hồi lưu càng lớn thì lượng nhiệt được tiêu thụ ở đáy tháp càng nhiều, vì phải làm bay hơi lượng hồi lưu này Mặt khác, số đĩa lý thuyết của tháp giảm cùng với sự tăng chỉ số hồi lưu Nếu giảm chỉ số hồi lưu thì sẽ làm tăng chi phí chế tạo tháp mặc dù có giảm chi phí làm việc Vì vậy cần tiếp cận giá trị thích hợp của chỉ số hồi lưu và số đĩa lý thuyết để xác định chỉ số hồi lưu thích hợp. .. lỏng 849,65.0,002 2.6.4 Độ giảm áp tổng cộng của pha khí qua một mâm  Phần cất : h = 25,71 + 17,1 + 4,975 = 47,785 mm chất lỏng t hay ht = 47,785 ⋅10 −3 ⋅ 9,81 ⋅ 834,38 = 391,133 N/m2  Phần chưng : h' = 25,71 + 20,68 + 4,63 = 51,02 mm chất lỏng t −3 hay ht = 51,02 ⋅10 ⋅ 9,81 ⋅ 849,65 = 425,255 N/m2 Xem độ giảm áp tổng cộng của pha khí qua mâm nhập liệu bằng độ giảm áp tổng cộng của pha khí qua một mâm... cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng sau: g l = Gl + D g l yl = Gl xl + DxD g l rl = g đ rđ Trong các phương trình trên ta coi xl = xF ; rl - ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất; rđ - ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi ra khỏi đỉnh tháp rl = rE yl + (1 − yl ) rN rđ = rE y D + (1 − y D ) rN Trong đó rE, rN - ẩn nhiệt hóa hơi của Hình 2.4 Sơ đồ để xác định lượng hơi trung bình trong... M E x tb + M N (1 − xtb ) 46 ⋅ 0,415 + 18(1 − 0,415) x tb = (4) ứng với nhiệt độ trung bình của hỗn hợp lỏng: t= 84,4oC, tra cứu tài liệu tham khảo , ta có: ρ xtb = 834,38 kg/m3 Tốc độ giới hạn trên của hơi đi trong tháp đĩa lỗ: ω gh = 0,05 ⋅ ρx 834,38 = 0,05 ⋅ = 1,35 m/s ρy 1,145 Công thức này thích hợp đối với tháp làm việc đều đặn (khoảng cách giữa các đĩa 200mm, đường kính lỗ 2,5mm, chiều cao phần... dòng nhập liệu theo kmol/h o Khối lượng riêng tại 28 C: Của nước: ρ N = 998,23 kg/m3 Của rượu etylic: ρ E = 789 kg/m3 Khối lượng riêng của hỗn hợp nhập liệu ρ F = xF ρ E + (1 − xF ) ρ N = 0,051 ⋅ 789 + (1 − 0,051) ⋅ 998,23 = 987,631 kg/m3 Lưu lượng dòng hỗn hợp đầu: F= 1.987,631 = 50,861 kmol/h 19,418 14 Lưu lượng sản phẩm đỉnh: do nồng độ xW rất nhỏ nên: D≈F⋅ xF 0,051 = 50,861 ⋅ = 3,308 kmol/h xD . liệu là hỗn hợp ethanol - nước, có nồng độ là 12% (kl ethanol/ kl hỗn hợp) . 1.3.1. Ethanol Ethanol, còn được biết đến như là rượu êtylic, ancol etylic, rượu ngũ cốc hay cồn, là một hợp chất hữu. mol 051,0 46 12100 46 12 46 12 100 = − + = − + = N F E F E F F M x M x M x x 779,0 46 90100 46 90 46 90 100 = − + = − + = N D E D E D D M x M x M x x 3 10962,1 46 5,0100 46 5,0 46 5,0 100 − ×= − + = − + = N W E W E W W M x M x M x x Hỗn hợp nhập liệu ở trạng thái lỏng sôi, do vậy lượng nhiệt cần để bay hơi 1 mol hỗn hợp nhập liệu bằng với ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đó. Vì vậy yếu tố caloric q. giá trị thích hợp của chỉ số hồi lưu và số đĩa lý thuyết để xác định chỉ số hồi lưu thích hợp theo quan hệ N lt .R=f(R). Đồ thị quan hệ N lt =f(R) chỉ ra vùng làm việc thích hợp, từ đó có