Thiết kế hệ thống sản xuất chưng cất sản xuất cồn 90o từ hỗn hợp rượu etylic nước bằng tháp đệm với năng suất sản phẩm 400kgh, nhập liệu chứa 30% thể tích cồn, sản phẩm đáy chứa 90% thể tích nước

ĐỒ ÁN HỌC PHẦN PHẦN 1: GIỚI THIỆU CHUNG PHẦN 2: QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ PHẦN 3: TÍNH TỐN CÂN BẰNG VẬT CHẤT, CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG PHẦN 4: TÍNH TỐN KÍCH THƯỚC THÁP PHẦN 5: TÍNH TỐN CƠ KHÍ THIẾT BỊ CHÍNH PHẦN 6: TÍNH TỐN CÁC THIẾT BỊ PHỤ TÀI LIỆU THAM KHẢO LỜI MỞ ĐẦU: Hiện cơng nghệ hóa học ngành có đóng góp to lớn đến cơng nghiệp nước ta nói riêng giới nói chung Vì vậy, sản xuất hóa chất nguyên liệu tinh khiết cho ngành có sức hút lớn để phù hợp với quy trình sản xuất hay nhu cầu sử dụng người Đồ án học phần Quá Trình Thiết Bị Hóa Học mơn học tổng hợp vơ cần thiết kỹ sư hóa học tương lai, giúp ta bước đầu làm quen với việc tính tốn thiết kế thiết bị có u cầu cụ thể giải quết vấn đề công nghệ mà kết cấu điều kiện vận hành giá thành thiết bị hóa học từ việc vận dụng kiến thức nhiều môn học vào giải vấn đề kỹ thuật thực tế Thực trạng cho thấy nhu cầu sử dụng hóa chất tinh khiết lớn, phương pháp sử dụng để nâng cao độ tinh khiết trích ly, chưng cất, đặc, hấp thu, Tùy theo đặc tính yêu cầu sản phẩm mà ta có lựa chọn phương pháp thích hợp Một phương pháp đáp ứng phần yêu cầu chưng cất (phương pháp dùng để tách hỗn hợp chất lỏng hỗn hợp khí lỏng thành cấu tử riêng biệt dựa vào nhiệt độ bay khác cấu tử hỗn hợp Đối với hệ Etanol-Nước cấu tử tan lẫn hoàn toàn vào nhau, ta phải dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết Etanol Nhiệm vụ đồ án: Thiết kế hệ thống sản xuất chưng cất sản xuất cồn 90o từ hỗn hợp rượu Etylic-Nước tháp đệm với suất sản phẩm 400Kg/h, nhập liệu chứa 30% thể tích cồn, sản phẩm đáy chứa 90% thể tích nước Em xin chân thành cảm ơn thầy cô khoa Máy-Thiết Bị hướng dẫn em làm đồ án Tuy nhiên q trình làm đồ án khơng thể tránh khỏi sai sót nên mong thầy đóng góp ý kiến dẫn thêm để đồ án hoàn thiện MỤC LỤC: PHẦN 1: GIỚI THIỆU CHUNG I/ Lý thuyết chưng cất Khái niệm: chưng phương pháp dùng để tách hỗn hợp chất lỏng hỗn hợp khí lỏng thành cấu tử riêng biệt dựa vào nhiệt độ bay khác cấu tử hỗn hợp (nghĩa nhiệt độ, áp suất cấu tử khác nhau) Thay đưa vào hỗn hợp pha để tạo nên tiếp xúc hai pha trình hấp thu hoặc nhả khí, q trình chưng cất pha tạo nên bốc hoặc ngưng tụ Trong trường hợp đơn giản nhất, chưng cất đặc khác nhau, nhiên hai q trình có ranh giới q trình chưng cất dung mơi chất tan bay (nghĩa cấu tử diện hai pha với tỷ lệ khác nhau), cịn q trình đặc có dung mơi bay cịn chất tan khơng bay [1] trang 167 Khi chưng cất ta thu nhiều sản phẩm thường cấu tử thu nhiêu sản phẩm Ở ta xét đến trường hợp hỗn hợp gồm hai cấu tử, q trình chưng cất cho:  Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay lớn phần cấu tử có độ bay bé  Sảm phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay bé phần cấu tử có độ bay lớn Các phương pháp chưng cất phân loại theo: Áp suất làm việc: chưng cất áp suất thấp, áp suất thường áp suất cao Nguyên tắc làm việc phương pháp dựa vào nhiệt độ sôi cấu tử, nhiệt độ sôi cấu tử cao ta giảm áp suất làm việc để từ giàm nhiệt độ sơi cấu tử hệ Nguyên lý làm việc: chưng gián đoạn( chưng đơn giản) chưng liên tục  Chưng cất gián đoạn (gián đoạn): phương pháp dùng để tách hỗn hợp gồm cấu tử có độ bay khác Thường dùng để tách sơ làm cấu tử khỏi tạp chất  Chưng cất liên tục: trình thực liên tục, nghịch dòng nhiều đoạn Chưng nước trực tiếp: dùng để tách hốn hợp gồm chất khó bay tạp chất không bay thường ứng dụng trường hợp chất tách khơng tan nước Tóm lại với hệ Etanol-Nước ta chọn phương pháp chưng cất liên tục Thiết bị chưng cất: Trong sản xuất thường sử dụng nhiều loại tháp chúng có yêu cầu diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn điều phụ thuộc vào độ phân tán lưu chất vào lưu chất Tháp chưng cất phong phú kích cỡ ứng dụng Kích thước tháp: đường kính chiều cao tùy thuộc suất lượng pha lỏng, pha khí tháp độ tinh khiết sản phẩm kháo sát loại tháp thường dùng tháp đệm, tháp mâm Tháp đệm: tháp hình trụ gồm nhiều đoạn nối với mặt bích hay hàn Vật chêm cho vào tháp theo hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay theo thứ tự Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía có gắn mâm có cấu tạo khác để chia thân tháp thành đoạn nhau, mâm pha lỏng pha tiếp xúc với Tùy theo cấu tạo đĩa ta có: Tháp mâm chóp: mâm bố trí có chóp dạng trịn, xupap, chữ s… Tháp mâm xun lỗ: mâm bố trí lỗ có đường kính 3-12mm Ưu nhược điểm tháp đệm: cấu tạo đơn giản, trở lực thấp hiệu xuất thấp, độ ổn định thiết bị nặng II/ Giới thiệu sơ nguyên liệu Nguyên liệu hỗn hợp rượu Etylic-Nước Etylic: (còn gọi Etanol hay cồn) Công thức cấu tạo: CH3-CH2-OH, khối lượng phân tử: 46 đvC Là chất ỏng có mùi đặc trưng, không độc, tan nhiều nước Một số tính chất vật lý etanol: + Nhiệt độ sơi 760(mmHg): 78.3oC + khối lượng riêng: d420 = 810 (Kg/m3) Tính chất hóa học:  Tất phản ứng hóa học xảy nhóm hydroxyl (-OH) Etanol thể tính chất hóa học Phản ứng hydro nhóm hydroxyl: CH3-CH2-OH CH3-CH2-O- + H+ Hằng số phân ly etanol: KCH3−CH2−OH=10 , Etanol chất trung tính −18 Tính acid Etanol thể qua phản ứng với kim loại kiềm, Natri hydrua(NaH), Natri amid(NaNH2): CH3-CH2-OH + NaH CH3-CH2-ONa + H2 Natri etylat −14 Do KCH3−CH2−OH< K H2O =10 : tính acid rượu nhỏ tính acid nước, nên muối Natri etylat tan nước bị thủy phân thành rượu trở lại Tác dụng với acid tạo ester: rượu etanol có tính bazơ tương đương với nước Khi rượu tác dụng với acid vô H2SO4, HNO3 acid hữu tạo nên ester CH3-CH2-OH + HO-SO3-H Laïnh CH3-CH2O-SO3-H + H2O H H2O + H2O CH3-CH2O-H + HO-CO-CH3 + CH3-COO-C2H5 + * Phản ứng nhóm hydroxyl: + Tác dụng với HX: CH3-CH2-OH + HX CH3-CH2-X + Tác dụng với Triclo Photpho: CH3-CH2-OH + PCl3 CH3-CH2-Cl + POCl + HCl + Tác dụng với NH3: CH3-CH2-OH + NH3 Al2O3 + Phản ứng tạo Ester tách loại nước: to C2H5-NH2 + H2O 2CH3-CH2-OH H2SO4 H2O >150oC (CH3-CH2)2O + CH3-CH2-OH H2SO4 >150oC CH2=CH2 + H2O * Phản ứng hydro oxy hóa: CH3-CH2-OH Cu CH3-CHO + H2 200-300oC Nước (CTCT: H2O) Trong điều kiện bình thường: nước chất lỏng khơng màu, khơng mùi, khơng vị Khi hóa rắn tồn dạng tinh thể khác nhau: Khối lượng phân tử: 18 g / mol Khối lượng riêng d40 : g / ml Nhiệt độ nóng chảy: 00C Nhiệt độ sơi: 1000 C Nước hợp chất chiếm phần lớn Trái Đất (3/4 diện tích trái đất nước) cần thiết cho sống Nước dung môi phân cực mạnh, có khả hịa tan nhiều chất vào, dung môi quan trọng kỹ thuật hóa học Ứng dụng Etanol:  Là nguyên liệu để sản xuất cao su tổng hợp  Rượu Etylic dùng để điều chế số hợp chất hữu acid axetic, dietyl ete etylaxetat…  Do có khả hịa tan tốt số chất hữu nên rượu etylic dùng để pha vecni, dược phẩm nước hoa…  Khi cháy tỏa nhiều nhiệt nên rượu etylic cịn dùng làm nhiên liệu PHẦN 2: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ I/ Sơ đồ hệ thống thiết bị chưng cất II/ Thuyết minh quy trình cơng nghệ Hỗn hợp cồn 30o 27oC……… PHẦN 3: TÍNH TỐN CÂN BẰNG VẬT CHẤT, CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG I/ Cân vật chất 1/ Các thông số ban đầu Năng suất sản phẩm đỉnh: D = 400 kg/h Nhập liệu: cồn 30o Sản phẩm đỉnh: cồn 90o Sản phẩm đáy: 90% thể tích nước Khối lượng phân tử Etanol nước: ME=46, MN=18 Chọn nhiệt độ nhập liệu tF = 27oC Chọn nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau làm nguội tD = 35oC Chọn nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau trao đổi nhiệt tW = 35oC Trạng thái nhập liệu lỏng sôi Đổi độ cồn phần mol: tra khối lượng riêng cồn (Bảng I.2 trang 9_ [2] vả nước (Bảng I.249 trang 310_[2] điều kiện áp suất khí P = at %V E ρE x= ME %V E ρE + ( 100−%V E) ρN ADCT: ME MN Nhập liệu: cồn 30o 27oC có ρE = 947,8 kg/m3 ρN = 996,4 kg/m3 %V E ρE 30 947 , xF= M E %V = 46 = , 1376 E ρE ( 100−%V E) ρN 30 947 , (100−30) 996 , + + ME MN 46 18 Sản phẩm đỉnh: cồn 90o 35oC có ρE = 804 kg/m3 ρN = 994 kg/m3 %V E ρE 90 804 xD= M E %V = 46 = ,7402 E ρE (100−%V E) ρN 90 804 (100−90 ) 994 + + ME MN 46 18 Sản phẩm đáy: cồn 10o 35oC có ρE = 983,6 kg/m3 ρN = 994 kg/m3 %V E ρE 10 983 , xW= M E %V = 46 = , 0412 E ρE (100−%V E) ρN 10 983 , (100−10) 994 + + ME MN 46 18 Khối lượng mol trung bình: MD= xD 46+ (1−x D).18=38 ,7256 M F= xF 46+ (1−x F).18=21 , 8528 MW= xW 46+ (1−xW ) 18=19 ,1536 Lưu lượng sản phẩm đỉnh tính theo kmol/h: D= D =400 =10 , 3291 kmol /h MD 38 , 7256 Phương trình cân vật liệu cho tồn tháp: F=D+W ⇔ F=10 ,3291+W (1) Phương trình cân vật liêu viết cho cấu tử nhẹ: F xF=D xD+W xW ⇔ F , 1376=10 , 3291 , 7402+W ,0412 (2) Tử (1) (2) ta có {F=74,8967 kmol/h¿¿¿¿ Như ta có bảng tổng kết thành phần sản phẩm sau: Phần mol Lưu lượng mol Phần khối Lưu lương khối kmol/h lượng lượng kg/h Hốn hợp đầu 0,1376 74,8967 0,2896 1636,70 Sản phẩm đỉnh 0,7402 Sàn phẩm đáy 0,0412 10,3291 0,8792 400 64,5676 0,0989 1236,70 Xác định số hồi lưu – số mâm lý thuyết Gọi: x nồng độ cấu tử dễ bay pha lỏng y nồng độ cấu tử dễ bay pha t nhiệt độ sôi hỗn hợp cấu tử áp suất 760mmHg Ta có bảng thành phần cân lỏng(x) – hơi(x) nhiệt độ sôi hỗn hợp hai cấu tử rượu Etylic – Nước: x-lỏng 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 y-hơi 33.2 44.2 53.1 57.6 61.4 65.4 69.9 75.3 81.8 89.8 100 t 100 90.5 86.5 83.2 81.7 80.8 80 79.4 79 78.6 78.4 78.4 Từ số liệu ta vẽ đường cân đồ thị x-y vẽ đồ thị t – x,y 100 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 99 x-long 97 y-hoi 95 93 91 89 T 87 85 83 81 79 77 75 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 x-y Với yF, yD, yw nồng độ phần mol pha cân với pha lỏng hỗn hợp đầu, sản phẩm đỉnh sản phẩm đáy dựa vào đồ thị ta có bảng kết sau: Sản phẩm x y* t (oC) D F 0.7402 0.775 78.5 0.1376 0.483 85 W 0.0412 0.288 92 Chỉ số hồi lưu tối thiểu: x D− y F¿ ,7402−0 , 483 Rmin = ¿ = =0 ,7446 y F−x D , 483−0 ,1316 Tỉ số hoàn lưu làm việc lấy gần đúng: R = 1,3Rmin + 0,3 công thức IX.25b trang 159_[3] R = 1,268 L= FD =74 , 8967 10 ,3291 =7 , 251 y= R x + xD =0 ,5591 x+ 3264 Phương trình đoạn cất: R+1 R+1 Phương trình đoạn chưng: y= L+R R+1 x− L−1 R+1 xW =3 ,7562 x−0 , 1136 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Số mâm lý thuyết NLT = Xác định số mâm thực tế: N TT = N LT ηtb Với ηtb= η1+η2+η3 ηtb hàm phụ thuộc vào độ bay tương đối α độ nhớt μ hỗn hợp y¿ 1−x công thức IX.61b trang 171_[2] α= ¿ với 1− y x Độ nhớt μ rượu etylic theo nồng độ phần khối lượng nhiệt độ, tra giản đồ I.28 trang 107_[1] Được: Nhiệt độ Nồng độ khối lượng Độ nhớt dd rượu etylic (.9,81.10-6 Ns/m2) tF = 84,9oC 0,2896 46 tD = 78,7oC 0,8792 55 tW = 91,6oC 0,0989 36 Vậy độ bay độ nhớt dung dịch: yF¿ 1− x F α 1=α F= ¿ =5 ,8533 Hỗn hợp đầu: 1− y F x F , độ nhớt μ1 = 0,451.10-3 Ns/m2 yD¿ 1−x D α 2=α D= ¿ =1, 209 Sản phẩm đỉnh: 1− y D x D , độ nhớt μ2 = 0,54.10-3 Ns/m2 yW¿ 1− xW α 3= αW = ¿ =9 , 4133 Sản phẩm đáy: 1− yW xW , độ nhớt μ3 = 0,353.10-3 Ns/m2 Như ta có kết sau tra đồ thị xác định hiệu suất trung bình thiết bị hình IX.11 trang 171_[2] μ1 α1= , 451 ,8533=2 , 64 η1 = 0,38 μ2 α2= ,54 ,209=0 , 653 η2 = 0,55 μ3.α3= ,353.9 ,4133=2,9831 η3 = 0,37 Hiệu suất làm việc tháp: ηtb= η1+η2+η3 =0,433 Số mâm thực tế tháp: NTT= N LT η = =16 ,154 tb , 433 chọn NTT = 17 mâm II/ Cân lượng Mục đich để xác định lượng đốt cần thiết đun nóng hỗn hợp đầu, đun bốc đáy tháp xác định lượng nước làm lạnh cần thiết 1/ cân nhiệt lượng thiết bị đun nóng QD 1+Qf =Qf ' +Qm+Qng1 QD 1=D1 λ1=D1 ( r1+θ1 C1 ) xtb= x F+ xW =0 , 2896+0 ,0989 =0 ,19425 ttb= tF+tW =84 , 9+91 , =88 ,25o C nồng độ rượu 20 độ ta có: { ρE=929 ,05 kg/ m3 ¿ ¿ ¿ ¿ = xtb + 1−xtb công thức IX.104a trang183_[2] ρxtb ρE ρ N = , 19425 + 1−0 ,19425 =1 , 0456 10−3 ρxtb= 956,401 kg/m3 ρxtb 929 ,05 963 ,2375 μn=1 , 005 cp=1 , 005 10−3 Ns/m2 độ nhớt nước 20oC tra bảng I.102 trang 94_[2] Độ nhớt dung dịch rượu 88,25oC xtb=0 ,19425 −6 −3 μx=39 , 81 10 =0 , 383 10 Ns/m ' G1+G1' 276 ,912+1817 , 6633 G xtb =G tb = = =1047 , 2877 kg /h Gytb=gtb' =628 , 7877 kg /h lg [ ] ω' s' σ d ρytb μx 0,16 G x ρ ytb ( ) = A−1, 75( ) ( ) g V d ρxtb μn G y ρ xtb [ ] ' Gx ρ ytb 81 σd ρytb ( μx )0 ,16 lg ωs = A−1 ,75 ( ) ( ) −lg G y ρxtb g V d ρxtb μn [ ] 1047 ,2877 , 9714 81 195 , 9714 ¿−0 ,125−1 ,75 ( )( ) −lg .( ,3331 ) 81 628 ,7877 956 , 401 ,81 ,75 956 , 401 , 005 ¿−0 ,125−1 ,75 , 47999−(−1, 372)=0 , 40745 Vậy ωs' =1, 599 m/s chọn tốc độ làm việc: ω=0,9 ωs' =1 , 4391m/ s √ √ D= 4V tb = 676, =0 ,408 m π 3600 ωtb π 3600 , 4391 Vậy để tiện cho việc tính tốn lựa chon thơng số ta chọn đường kính trung bình tháp chưng cất là: Dt = 0,5 (m) II/ Chiều cao tháp Áp dụng công thức IX.50 trang 168_[3]: H=N LT htd +(0,8÷1 ) Trong đó: NLT: số đĩa lý thuyết ( số bậc thay đổi nồng độ) thức: htd: chiều cao tương đương bậc thay đổi nồng độ, tính cơng d e f lg G x c Gy ρx μy m.Gy ( ) ( ) ( ) ( ) ρy.ωtb b a htd=k μ y σd V d G x ρ y μx Gy 1−m Gx ρ y ωtb −1,2 0,2 G y , 342 ρ x 0, 19 μy ,038 lg Gx σd Vd Gx ρy m.Gy μy ( ) ( ) ( ) ( ) htd=176 ,4 μx 1−m Gy Gx Với m giá trị tan góc nghiêng đường cân với mặt phẳng ngang Vậy ta có ∑ ΔyxΔyy m=tan α = n Chiều cao đoạn cất: ω=1 ,223 m/s Ta có: m = 0,468 ρ y=1 , 2258 kg / m3 ρx=894 , 856 kg / m3 Gx=1071 , 95 kg /h Gy=792 , 056 kg /h μx=0 , 579 10−3 Ns/m2 M hh = ytb M E + ( 1− ytb ) M N μy xác định theo công thức: μhh μE μN Với ytb= y F+ y D = , 483+0 , 775 =0 , 629 ⇒ M hh= ytb M E +( 1− ytb ) M N =35 ,612 Độ nhớt rượu nước 81,8oC {μE=0,5865cp=0,5865.10−3Ns/m2¿ ¿¿¿ Thế vào ta tính μhh=μ y=0 ,52 10−3 Ns/m2 792 , 056 0,342 894 , 856 0,19 ,52 0,038 lg 1071, 95 , 468 792 , 056 ( ) ( ) ( ) ( ) 1,2258.1,223 0,2 −1,2 htd=176 , , 52 10−3 195 ,75 1071 , 95 ,2258 ,579 1−0 , 468 792, 056 1071 ,95 ¿0 , 656 m ... CÂN BẰNG VẬT CHẤT, CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG I/ Cân vật chất 1/ Các thông số ban đầu Năng suất sản phẩm đỉnh: D = 400 kg/h Nhập liệu: cồn 30o Sản phẩm đỉnh: cồn 90o Sản phẩm đáy: 90% thể tích. .. phẩm nước hoa…  Khi cháy tỏa nhiều nhiệt nên rượu etylic dùng làm nhiên liệu PHẦN 2: QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ I/ Sơ đồ hệ thống thiết bị chưng cất II/ Thuyết minh quy trình cơng nghệ Hỗn hợp cồn. .. chất tách không tan nước Tóm lại với hệ Etanol -Nước ta chọn phương pháp chưng cất liên tục Thiết bị chưng cất: Trong sản xuất thường sử dụng nhiều loại tháp chúng có u cầu diện tích bề mặt tiếp