Nghiên cứu tìm hiểu công nghệ chưng luyện liên tục hỗn hợp rượu metylic

Chưng là phương pháp dùng để tách các hỗn hợp chất lỏng cũng như các hỗn hợp khí lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp ,nghĩa là khi ở cùng một nhiệt độ thì áp suất hơi của các cấu tử khác nhau. Khi chưng ta thu được nhiều sản phẩm và thường bao nhiêu cấu tử sẻ có bấy nhiêu sản phẩm .Đối với trưòng hợp hỗn hợp chưng chỉ gồm hai cấu tử thì sản phẩm đỉnh gồm cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi bé còn sản phẩm đáy gồm cấu tử có độ bay hơi bé và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi lớn. Trong sản xuất có rất nhiều phương pháp chưng như chưng đơn giản ,chưng bằng hơi nước trực tiếp ,chưng chân không và chưng luyện .Tùy thuộc vào điều kiện sẵn có , tính chất hỗn hợp , yêu cầu về độ tinh khiết sản phẩm mà ta chọn phương pháp chưng cho thích hợp .Chưng đơn giản dùng để tách các hỗn hợp gồm các cấu tử có độ bay hơi rất khác nhau .Phương pháp này thường dùng để tách sơ bộ và làm sạch cấu tử khỏi tạp chất.Chưng bằng hơi nước trực tiềp dùng tách các hỗn hợp gồm các chất khó bay hơi và tạp chất không bay hơi ,thường dùng trong trường hợp chất được tách không tan vào nướcChưng chân không dùng trong trường hợp cần hạ thấp nhiệt độ sôi cấu tử .Ví dụ như trường hợp các cấu tử trong hỗn hợp dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao hay trường hợp các cấu tử có nhiệt độ sôi quá cao.Chưng luyện là phương pháp phổ biến nhất để tách hoàn toàn hỗn hợp các cấu tử dễ 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 cao.Chưng luyện ở áp suất cao dùng cho các hỗn hợp không hóa lỏng ở áp súât thường.Chưng luyện ở áp suất thường (áp suất khí quyển ) dùng cho hỗn hợp không thuộc các trường hợp trên.Người ta tiến hành chưng luyện hỗn hợp cần chưng trong tháp chưng luyện ,tháp gồm nhiều đĩa ,trên mỗi đĩa xảy ra quá trình chuyển khối giữa pha lỏng và pha hơi. Hơi đi từ dưới lên qua các lổ của đĩa ,lỏng đi từ trên xuống theo các ống chảy chuyền, nồng độ các cấu tử và nhiệt độ sôi ở mỗi đĩa thay đổi theo chiều cao của tháp .Do đó một phàn cấu tử dễ bay hơi chuyển từ pha lỏng vào pha hơi và một phần ít hơn chuyển từ pha hơi vào pha lỏng , lặp lại nhiều lần bốc hơi và ngưng tụ như thế , hay nói một cách khác ,với một số đĩa tương ứng , cuối cùng ở trên đỉnh tháp ta thu được cấu tử dễ bay hơi ở dạng nguyên chất và ở tháp ta thu được cấu tử khó bay hơi ở dạng nguyên chất .Quá trình chưng luyện được thực hiện trong thiết bị loại tháp làm việc liên tục hoặc gián đoạn.

Đồ án môn học Phần 1 : MỞ ĐẦU I.Lý thuyết về chưng luyện Chưng là phương pháp dùng để tách các hỗn hợp chất lỏng cũng như các hỗn hợp khí lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp ,nghĩa là khi ở cùng một nhiệt độ thì áp suất hơi của các cấu tử khác nhau. Khi chưng ta thu được nhiều sản phẩm và thường bao nhiêu cấu tử sẻ có bấy nhiêu sản phẩm .Đối với trưòng hợp hỗn hợp chưng chỉ gồm hai cấu tử thì sản phẩm đỉnh gồm cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi bé còn sản phẩm đáy gồm cấu tử có độ bay hơi bé và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi lớn. Trong sản xuất có rất nhiều phương pháp chưng như chưng đơn giản ,chưng bằng hơi nước trực tiếp ,chưng chân không và chưng luyện .Tùy thuộc vào điều kiện sẵn có , tính chất hỗn hợp , yêu cầu về độ tinh khiết sản phẩm mà ta chọn phương pháp chưng cho thích hợp . - Chưng đơn giản dùng để tách các hỗn hợp gồm các cấu tử có độ bay hơi rất khác nhau .Phương pháp này thường dùng để tách sơ bộ và làm sạch cấu tử khỏi tạp chất. Trang 1 Đồ án môn học - Chưng bằng hơi nước trực tiềp dùng tách các hỗn hợp gồm các chất khó bay hơi và tạp chất không bay hơi ,thường dùng trong trường hợp chất được tách không tan vào nước - Chưng chân không dùng trong trường hợp cần hạ thấp nhiệt độ sôi cấu tử .Ví dụ như trường hợp các cấu tử trong hỗn hợp dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao hay trường hợp các cấu tử có nhiệt độ sôi quá cao. - Chưng luyện là phương pháp phổ biến nhất để tách hoàn toàn hỗn hợp các cấu tử dễ 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 cao. Chưng luyện ở áp suất cao dùng cho các hỗn hợp không hóa lỏng ở áp súât thường. Chưng luyện ở áp suất thường (áp suất khí quyển ) dùng cho hỗn hợp không thuộc các trường hợp trên. Người ta tiến hành chưng luyện hỗn hợp cần chưng trong tháp chưng luyện ,tháp gồm nhiều đĩa ,trên mỗi đĩa xảy ra quá trình chuyển khối giữa pha lỏng và pha hơi. Hơi đi từ dưới lên qua các lổ của đĩa ,lỏng đi từ trên xuống theo các ống chảy chuyền, nồng độ các cấu tử và nhiệt độ sôi ở mỗi đĩa thay đổi theo chiều cao của tháp .Do đó một phàn cấu tử dễ bay hơi Trang 2 Đồ án môn học chuyển từ pha lỏng vào pha hơi và một phần ít hơn chuyển từ pha hơi vào pha lỏng , lặp lại nhiều lần bốc hơi và ngưng tụ như thế , hay nói một cách khác ,với một số đĩa tương ứng , cuối cùng ở trên đỉnh tháp ta thu được cấu tử dễ bay hơi ở dạng nguyên chất và ở tháp ta thu được cấu tử khó bay hơi ở dạng nguyên chất . Quá trình chưng luyện được thực hiện trong thiết bị loại tháp làm việc liên tục hoặc gián đoạn. Ơ đây ta sẽ thiết kế hệ thống chưng luyện tháp chóp làm việc liên tục với hỗn hợp chưng là rượu mêtylic và nước.Khi chưng luyện liên tục , hỗn hợp đầu được đưa vào tháp ở đĩa tiếp liệu (nằm ở phần giữa thân tháp ) một cách liên tục , sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy cũng được lấy ra liên tục. II.Tính chất lý hóa của rượu mêtylic 1.Tính chất lý học: Rượu mêtylic là chất lỏng không màu,tan vô hạn trong nước có mùi vị đặc trưng , rất độc , chỉ một lượng nhỏ xâm nhập vào cơ thể cũng có thể gây mù lòa ,lượng lớn gây tử vong. -Nhiệt độ sôi ở áp suất khí quyển t 0 s = 64,5 0 C - Khối lượng riêng ở 20 0 C ρ = 791,7 Kg/m 3 -Độ nhớt ở 20 0 C µ = 0,6.10 3 N.s/m 2 =0,6 cp Trang 3 Đồ án môn học -Hệ số dẫn nhiệt ở 20 0 C λ = 0,179kcal/m.h.độ = 0,2082 W/m.độ -Nhiệt dung riêng ở 20 0 C C P = 2570 J/kg.độ -Nhiệt hóa hơi r = 262,79 kcal/kg ở 64,5 0 C -Nhiệt độ nóng chảy t nc = -97,8 0 C 2.Tính chất hóa học: Rượu mêtylic có công thức phân tử : CH 3 OH H công thức cấu tạo : H - C - O - H H phân tử lượng : 32 đvC Trong phân tử rượu mêtylic có 3 loại liên kết : C - H , C - O , O - H ,trong đó hai liên kết sau là liên kết cộng hóa trị phân cực ,đó là do độ âm điện của O lớn hơn của C và H nên trong cả hai liên kết đó cặp electron góp chung đều lệch về phía O làm cho nguyên tử H trở nên linh động hơn.Rượu mêtylic có khả năng tham gia các phản ứng sau: - làm phá vỡ liên kết C-OH với sự tách đi của nhóm -OH - làm phá vỡ liên kết _-O-H với sự tách đi của -H. - bị oxy hóa thành fomanđêhit : CH 3 OH + CuO  HCHO + Cu Trang 4 Đồ án môn học Rượu mêtylic được ứng dụng để sản xuất anđêhytfomic làm nguyên liệu cho công nghệ chất dẻo. III.Tính chất lý hóa của nước - Nước là chất lỏng không màu ,không mùi ,không vị. - Nhiệt độ sôi ở 760mmHg là 100 0 C. - Hóa lỏng ở 0 0 C. - Khối lượng riêng ρ = 997,08 kg/m 3 ở 25 0 C. - Độ nhớt µ = 0,8937.10 3 N.s/m 2 = 893,7 Cp ở 25 0 C - Nhiệt dung riêng C P = 0,99892 kcal/kg.độ ở 25 0 C - Nhiệt hóa hơi ở áp suất khí quyển r = 540 kcal/kg - Nước có công thức phân tử H 2 O ,công thức cấu tạo H-O-H - Nước là hợp chất phân cực mạnh, có thể hòa tan nhiều chất rắn ,lỏng ,khí - Nước cần thiết cho sinh hoạt hằng ngày ,sản xuất nông nghiệp ,công nghiệp , xây dựng , giao thông vận tải. - Nước dùng để điều chế oxy. IV.Ưu ,khuyết điểm của phương pháp chưng đĩa chóp : Ưu điểm:Tách được sản phẩm có độ tinh khiết cao,dễ khống chế quá trình,bề mặt tiếp xúc pha tương đối lớn ,trở lực không cao. Khuyết điểm:Tiếp xúc pha không liên tục, cấu tạo phúc tạp. Trang 5 Đồ án môn học V.Dây chuyền công nghệ: Thiết kế như hình vẽ. Hỗn hợp đầu từ bể chứa 1 được bơm 2 bơm lên thùng cao vị 3rồi theo ống dẫn qua van điều chỉnh lưu lượng 5 (điều chỉnh lượng hỗn hợp đầu vào tháp) đến thiết bị đun sôi hỗn hợp đầu 6 .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 4 tràn về bể chứa hỗn hợp đầu .Thiết bị đun sôi 6 là thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm với tác nhân nóng là hơi nước bão hòa . Ra khỏi thiết bị đun sôi ,hỗn hợp đầu ở nhiệt độ sôi đi vào tháp 7 ở đĩa nạp liệu . Sản phẩm đỉnh ở dạng hơi được ngưng tụ hoàn toàn khi đi qua thiết bị ngưng tụ 8 đến thiết bị phân tách hồi lưu 9 ,một phần sản phẩm đỉnh hồi lưu trở về đỉnh tháp,phần còn lại đi vào thiết bị làm nguội 10 được làm lạnh và đi vào bể chứa sản phẩm đỉnh 11.Thiết bị ngưng tụ 8 và thiết bị làm nguội 10 cũng là thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm với tác nhân làm nguội là nước lạnh . Sản phẩm đáy đi ra khỏi tháp ở đáy được dẫn vào bể chứa sản phẩm đáy 12 ,được làm nguội tự nhiên .Sản phẩm đáy ở đây là nước có chứa một ít metylic nên được xủ lý rồi thải ra môi trường . 13 là tháp chứa nước làm mát . Trang 6 Đồ án môn học 14 là bình phân phối hơi đốt . Phần 2 : TÍNH CÔNG NGHỆ Các ký hiệu sử dụng trong quá trình tính toán : G F : lượng hỗn hợp đầu G P : lượng sản phẩm đỉnh G W : lượng sản phẩm đáy a F : nồng độ phần khối lượng của cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp đầu a P : nồng độ phần khối lượng của cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đỉnh a W : nồng độ phần khối lượng của cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy x F : nồng độ phần mol cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp đầu. x P : nồng độ phần mol cấu tử dễ bay hơi trong trong sản phẩm đỉnh x W : nồng độ phần mol cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy Cấu tử dễ bay hơi A: rượu metylic , cấu tử khó bay hơi B : nước. Chương I: TÍNH SỐ ĐĨA Trang 7 Đồ án môn học I.Tính lượng hỗn hợp : 1.Nồng độ phần mol: x A = B B A A A A M a M a M a + => x F = 18623238 3238 + = 0,2564 phần mol => x P = 1823298 3298 + = 0,965 phần mol => x W = 1898322 322 + = 0,0113 phần mol 2.Lưu lượng hỗn hợp đầu và sản phẩm đáy: Phương trình cân bằng vật liệu cho toàn tháp: F = P + W (1) Viết cho cấu tử dễ bay hơi: F.x F = P.x P + W.x W (2) Từ (1) và (2) suy ra: wP xx F − = wF xx P − = FP xx W − Vậy lượng sản phảm đỉnh là: P = F. wP wF xx xx − − = 2000. 0113,0965,0 0113,02564,0 − − = 514 Kg/h Lượng sản phẩm đáy là: Trang 8 Đồ án môn học W = F. wP FP xx xx − − = 2000. 0113,0965,0 2564,0965,0 − − = 1486 Kg/h Gọi F M là phân tử lượng trung bình của hỗn hợp đầu F M = x F .M A + (1-x F ).M B = 0,2564.32 + 0,7436.18 = 21,5896 (g) Lượng hỗn hợp đầu tính theo Kmol/h là: F = 5896,21 2000 = 92,637 (Kmol/h) Lượng sản phẩm đỉnh tính theo Kmol/h là: F = F. wP wF xx xx − − = 92,637. 0113,0965,0 0113,02564,0 − − = 23,808 (Kmol/h) Lượng sản phẩm đáy tính theo Kmol/h là: W = F. wP FP xx xx − − = 92,637. 0113,0965,0 2564,0965,0 − − = 68,829 (Kmol/h) II.Xác định số đĩa của tháp 1.Đường cong cân bằng - đồ thị t-x-y theo thực nghiệm: Gọi x,y là nồng độ mol phần của thành phần lỏng và hơi của rượu mêtylic (tính theo phần mol) t ( 0 C) là nhiệt độ sôi của hỗn hợp hai cấu tử (ở 760 mmHg). Theo bảng IX.2a-Sổ tay QT&TBCN Hóa học Tập 2, trang 149 ,ta có: Trang 9 Đồ án môn học X 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Y 0 26,8 41,8 57,9 66,5 72, 9 77,9 82,5 87 91,5 95,8 100 T 100 92,3 87,7 81,7 78 75, 3 73,1 71,2 69,3 67,6 66 64,5 Dựa vào bảng số liệu này ta vẽ đồ thị đường cong cân bằng của hỗn hợp rươụ metylic và nước (Hình 1) và đồ thị biểu diễn đường cong sôi (Hình 2) . Theo đồ thị đường cân bằng ta xác định được y * F = 0,64 phần mol là nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi cân bằng với pha lỏng trong hỗn hợp đầu. Theo đồ thị đường cong sôi ta xác định được nhiệt độ sôi của hỗn hợp đầu t s F =89 0 C ,của sản phẩm đỉnh t s P = 65,5 0 C ,của sản phẩm đáy t s W = 97 0 C . Chỉ số hồi lưu tối thiểu được xác định bằng công thức : R xmin = F F F P xy yx − − * * = 2564,064,0 64,0965,0 − − = 0,847 Hình vẽ 1,2,3: Trang 10 [...]... lượng do hỗn hợp đầu mang vào thiết bị đun sôi hỗn hợp đầu Qf : Qf = F.Cf tf , J/h -Công thức I X.151 trang 196 Sổ tay QTTB tập 2 Với Cf : nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu ,J/kg.độ tf : nhiệt độ đầu của hỗn hợp , xét ở 250C Ta có : Cf = aA.CA + (1-aA).CB aA : nồng độ phần khối lượng trong hỗn hợp đầu , aA = 0,38 CA ,CB : nhiệt dung riêng của metylic và nước ở 250C *Nhiệt dung riêng của metylic ở... thị ,xác định điểm cực tiểu , từ điểm cực tiểu suy ra RX thích hợp RXopt= 1,6 Từ RX thích hợp ,vẽ lại đường nồng độ làm việc đoạn chưng và đoạn luyện và xác định được số đĩa lý thuyết Nlt = 14 (đĩa) (4 đĩa chưng và 10 đĩa luyện) 3.Phương trình đường nồng độ làm việc: Đoạn chưng : RX + 1 L −1 x = R + L y + L + R xw X X Với L là lượng hồn hợp đầu tính trên 1 đơn vị sản phẩm đỉnh, F 92,637 L= P = 23,808... Đường kính đoạn luyện : 1186,47 0,536 = 4 1,458 h h D = 0,0188 Chọn h = 0,28 (m) = > D = 0,74 m II.Đường kính đoạn chưng: 1.Lượng hơi trung bình trong đoạn chưng g’tb có thể xem gần đúng bằng trung bình cộng lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng g’ n và lưọng hơi đi vào đoạn chưng g’1 : g’tb = g 'n + g '1 , kg/h - Công thức IX.96 trang 183 Sổ tay 2 QTTB tập 2 Vì lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng... đoạn chưng : D = 0,0188 D= 0,464 4 h Chọn h = 0,28 m g 'tb 857,07 = 0,0188 ( ρ ' y ω ' y )tb 1,437 h ,m = > D = 0,64 m Vậy đường kính đoạn chưng là 0,64 m , đường kính đoạn luyện là 0,72 m nên ta chọn đường kính chung cho tháp là 0,8 m với khoảng cách các đĩa là 0,3 m Chương III: CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG Gọi QD1 là nhiệt lượng do hơi nưóc cung cấp để đun sôi hỗn hợp đầu Qf là nhiệt lượng do hỗn hợp đầu... nhiệt lượng do hơi nưóc cung cấp để đun sôi hỗn hợp đầu Qf là nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào thiết bị đun sôi hỗn hợp QF là nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra khỏi thiết bị đun sôi hỗn hợp đầu Trang 28 Đồ án môn học Qm là nhiệt lượng do mất mát Qy là nhiệt lượng do hơi mang ra khỏi tháp chưng QR là nhiệt lượng do lượng hồi lưu mang vào tháp Qh là nhiệt lượng do hơi mang ra khỏi thiết bi ngưng tụ... đun sôi ở đáy tháp mang vào I.Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu : QD1 + Qf = QF + Qm (8) 1.Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào QD1 : QD1 = D1.r1 - Công thức IX.150 trang 196 Sổ tay QTTB tập 2 D1 : lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi hỗn hợp đầu , kg/h r1 :ẩn nhiệt hóa hơi của hơi nước ,J/kg Vì nhiệt độ sôi của hỗn hợp đầu là 89 0C nên nhiệt độ của hơi nưóc phải cao ,chọn 1330C tương ứng... của đoạn luyện được xác định theo hệ phương trình cho ở trang 173 Sổ tay QTTB tập 2 :  g1 = G1 + GP   g1 y1 = G1.x1 + GP xP  g r = g r d d  1 1 Trong đó x1 = aF = 0,38 (phần khối lượng) xP = aP = 0,98 (phần khối lượng) G1:lượng lỏng đĩa thứ nhất đoạn luyện rđ :ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi ra khỏi đỉnh tháp Trang 16 Đồ án môn học r 1 :ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất đoạn luyện. .. án môn học 3.Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra khỏi thiết bị đun sôi QF: QF = F.CF tF , J/h - Công thúc IX.152 trang 196 Sổ tay QTTB tập 2 Với CF : nhiệt dung riêng hỗn hợp đi ra thiết bị đun sôi tF = 890C Ta có : CF = aF.CA + (1-aF).CB CA ,CB :nhiệt dung riêng của metylic và nước ở 890C Tra bảng nhiệt dung riêng và theo phương pháp nội suy ta có : Nhiệt dung riêng của metylic ở 890C : CA89 = CA80... 0,05.520127,3 = 26006,4kJ/h 5.Lượng hơi đốt cần dùng để đun sôi hỗn hợp đầu : QD1 = D1.r1 Q 520127,3 D1 D1 = r = 1842,2 = 282,3Kg / h 1 => II.Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện : Phương trình cân bằng nhiệt của tháp chưng luyện : QF +QD2 + QR = Qh + QW + Qm (** ) 1.Lượng nhiệt do lượng lỏng hồi lưu mang vào tháp QR : QR = CR.P.RX.tR ,J/h - Công thức IX.158 Sổ tay QTTB tập 2 Với RX: chỉ số hồi lưu... đoạn luyện nên g’n = g1 = 1036,54 kg/h Luợng hơi đi vào đọan chưng g’ 1 , luợng lỏng G’ 1 và hàm lượng lỏng x’1 được xác định theo hệ phương trình cho ở trang 183 Sổ tay QTTB tập 2 : G '1 = g '1 +Gæ (1)   ( 2) G '1.x'1 = g '1 yæ + Gæ xæ  ( 3)  g '1.r '1 = g 'n r 'n = g1.r1  Trang 23 Đồ án môn học Trong đó r’1 :ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng ,được tính theo công . trình chưng luyện được thực hiện trong thiết bị loại tháp làm việc liên tục hoặc gián đoạn. Ơ đây ta sẽ thiết kế hệ thống chưng luyện tháp chóp làm việc liên tục với hỗn hợp chưng là rượu mêtylic. nước.Khi chưng luyện liên tục , hỗn hợp đầu được đưa vào tháp ở đĩa tiếp liệu (nằm ở phần giữa thân tháp ) một cách liên tục , sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy cũng được lấy ra liên tục. II.Tính. thuyết về chưng luyện Chưng là phương pháp dùng để tách các hỗn hợp chất lỏng cũng như các hỗn hợp khí lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp