Chưng cất hỗn hợp hệ hai cấu tử metylic nước

Đối với hỗn hợp Rượu metylic – Rượu etylic là 2 cấu tử tan lẫn hoàn toàn, ta phải dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết.. Nhiệm vụ của đồ án này là thiết kế hệ thống chưng

LỜI MỞ ĐẦU

Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển và cùng với nó là nhu cầu ngày càng cao về

độ tinh khiết của các sản phẩm Vì thế, các phương pháp nâng cao độ tinh khiết luôn luôn được cải tiến và đổi mới để ngày càng hoàn thiện hơn, như là: cô đặc, hấp thụ, chưng cất, trích ly Tùy theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có sự lựa chọn phương pháp phù hợp Đối với hỗn hợp Rượu metylic – Rượu etylic là 2 cấu tử tan lẫn hoàn toàn, ta phải dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị là một môn học mang tính tổng hợp Môn học giúp sinh viên giải quyết nhiệm vụ tính toán cụ thể về: quy trình công nghệ, kết cấu, giá thành của một thiết bị trong sản xuất hóa chất - thực phẩm

Nhiệm vụ của đồ án này là thiết kế hệ thống chưng cất hỗn hợp Rượu Rượu etylic bằng tháp đệm có năng suất 5200 kg/h, nhập liệu ở nhiệt độ sôi với nồng

metylic-độ 10% ,sản phẩm đỉnh có nồng metylic-độ 95%, sản phẩm đáy có nồng metylic-độ 0.1% khốilượng/khối lượng Hệ thống được gia nhiệt bằng hơi nước có áp suất 3.5 at.Việc thựchiện đồ án là một cơ hội tốt để sinh viên hệ thống hóa các kiến thức đã học cũng nhưlàm quen với việc lựa chọn tính toán các thiết bị thực tế.Thực hiện đồ án là một bước

để sinh viên làm quen với công việc của một kỹ sư trong tương lai

Chương 1 Tổng quan về phương pháp chưng

Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng cũng nhưhỗn hợp khí lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của cáccấu tử trong hỗn hợp Thay vì đưa vào trong hỗn hợp một pha mới để tạo nên sự tiếpxúc giữa hai pha như trong quá trình hấp thụ hoặc nhả khí, trong quá trình chưng cất,pha mới được tạo nên bằng sự bốc hơi hoặc ngưng tụ

Khi chưng cất ta thu được nhiều sản phẩm và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽthu đựơc bấy nhiêu sản phẩm Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn

và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi bé Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độbay hơi bé và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi lớn

Đối với hệ Rượu metylic – Rượu etylic thì sản phẩm đỉnh chủ yếu là Rượu

metylic, sản phẩm đáy chủ yếu là Rượu etylic.

Các phương pháp chưng cất thường được phân loại dựa vào áp suất làm việc ( áp suất thấp, áp suất thường, áp suất cao), nguyên lý làm việc (chưng cất đơn giản,chưng bằng hơi nước trực tiếp, chưng cất) hay dựa vào phương pháp cấp nhiệt (trựctiếp hay gián tiếp) Việc lựa chọn các phương pháp chưng cất tùy thuộc vào tính chất

lý hóa của sản phẩm Đối với hệ Rượu metylic – Rượu etylic ta chọn phương phápchưng cất liên tục, cấp nhiệt gián tiếp bằng nồi đun ở áp suất thường

Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để tiến hành chưng cất.Tuy nhiên yêu cầu chung của các thiết bị vẫn giống nhau là bề mặt tiếp xúc pha phảilớn Điều này phụ thuộc vào mức độ phân tán của pha này vào pha kia Ta khảo sáthai loại tháp thường dùng là tháp mâm và tháp đệm

• Tháp mâm: thân hình trụ, thẳng đứng, phía trong có gắn các mâm có cấu tạokhác nhau trên đó pha lỏng và pha hơi tiếp xúc với nhau Tùy theo cấu tạo của mâm

ta có tháp mâm chóp hay tháp mâm xuyên lỗ

• Tháp đệm: tháp trụ gồm nhiều bậc nối với nhau bằng bích hay hàn Vật chêmđược cho vào tháp bằng hai phương pháp xếp ngẫu nhiên hay có thứ tự.

So sánh ưu nhược điểm của hai loại tháp

- Hiệu suất cao

Nhược

điểm

- Do có hiệu ứngthành nên

hiệu suất truyền khốithấp

- Độ ổn định khôngcao, khó

vận hành

- Thiết bị nặng nề

- Trở lực lớn

- Kết cấu phứctạp

- Không làm việcđược

2.1 Rượu Metylic

2.1.1 Tính chất hóa lý

Metylic là chất lỏng không màu, tan vô hạn trong nước, có mùi đặc trưng, rất độc.Một lượng nhỏ methanol có thể gây mù lòa, lượng lớn gây tử vong Methanol cócông thức phân tử CH3OH, phân tử lượng 32 đvC Metylic có các tính chất lý hóasau:

Metylic có ái lực đặc biệt với Carbon dioxide và hydrogen sulfide, đây đượcxem là dung môi trong quá trình làm ngọt khí Rectisol Mang tính phân cực trong tựnhiên, methanol thường tạo hỗn hợp cộng phị với nhiều hợp chất Mettylic làm giảmnhiệt độ hình thành của hydrate khí tự nhiên, nên được sử dụng là chất chống đôngtrong đường ống

Metylic được dùng để sản xuất formaldehyde, chiếm khoảng 40% lượng tiêu thụmethanol trên thế giới Tại Mỹ, vai trò của metylic được tăng cao do được sử dụngtrong nhiên liệu

oxygenated với MTBE Một ứng dụng quan trọng khác của methanol là sản xuất acidacetic; ngoài ra, nó còn được dùng làm dung môi và hóa chất trung gian

Ngoài ra methanol còn được dùng làm nguyên liệu sản xuất những hóa chất khác,như dimethyl terephthalate (DMT), methyl methacrylate, methylamine, và methylhalogenur Ứng dụng mới đây nhất là ứng dụng trong nông nghiệp, phun trực tiếpvào cây trồng để kích thích sự phát triển của cây.

2.2 Etylic

2.2.1 Tính chất hóa lý

Rượu etylic là một chất lỏng, không màu, trong suốt, mùi thơm dễ chịu và đặctrưng, vị cay, nhẹ hơn nước (khối lượng riêng 0,7936 g/ml ở 15 độ C), dễ bay hơi(sôi ở nhiệt độ78,39 độ C), hóa rắn ở -114,15 độ C, tan trong nước vô hạn, tantrong ete và clorofom, hút ẩm, dễ cháy, khi cháy không có khói và ngọn lửa có màuxanh da trời Sở dĩ rượu etylic tan vô hạn trong nước và có nhiệt độ sôi cao hơn nhiều

so với este hay aldehyde có khối lượng phân tử xấp xỉ là do sự tạo thành liên kếthydro giữa các phân tử rượu với nhau và với nước

Nước là chất lỏng không màu, không mùi, không vị Công thức phân tử H2O,phân tử lượng 18đvC

Chuong 3 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

Trong tháp, pha hơi đi từ dưới lên, pha lỏng đi từ trên xuống, ở đây có sự tiếp xúcgiữa hai pha Trong đoạn chưng, càng đi xuống dưới, nồng độ cấu tử dễ bay hơitrong pha lỏng càng giảm do bị cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi từ nồi đun (10) đi lênlôi cuốn Hơi càng lên cao thì nhiệt độ càng giảm do đó cấu tử có nhiệt độ sôi cao lànước sẽ ngưng tụ lại đi xuống dưới Cấu tử có nhiệt độ sôi thấp là metylic sẽ lôi kéo

các cấu tử metylic trong pha lỏng đi lên trên Sản phẩm đỉnh là hơi chứa chủ yếu làmethanol và một phần nhỏ hơi nước Hơi ở đỉnh được dẫn qua thiết bị ngưng tụ (7).Một phần lỏng được hồi lưu vào tháp chưng cất còn phần lớn được cho vào thiết bịlàm nguội (8) và được đưa vào thùng chứa sản phẩm đỉnh Hỗn hợp đáy chứa chủyếu là nước được đưa vào nồi đun Kettle Hơi từ nồi đun được đưa trở lại vào tháp.Sản phẩm đáy sau khi qua nồi đun được đưa vào thiết bị làm nguội và chuyển vềthùng chứa sản phẩm đáy (11).

C TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH

I CÂN BẰNG VẬT CHẤT

Quy ước:

- F, P, W: lần lượt là hỗn hợp đầu vào, đỉnh và đáy

- GF: lưu lượng hỗn hợp đầu vào, kmol/h

- GP: lưu lượng sản phẩm đỉnh, kmol/h

- GW: lưu lượng sản phẩm đáy, kmol/h

- GR: lượng chất lỏng hồi lưu, kmol/h

- MF: khối lượng phân tử trung bình hỗn hợp đầu vào

- MP: khối lượng phân tử trung bình sản phẩm đỉnh

- MW: khối lượng phân tử trung bình sản phẩm đáy

- xF: nồng độ phân mol hỗn hợp đầu vào theo metylic, kmol/kmol

- xP: nồng độ phân mol hỗn hợp đỉnh theo metylic, kmol/kmol

- xw: nồng độ phân mol hỗn hợp đáy theo metylic, kmol/kmol

- aF: nồng độ phần khối lượng hỗn hợp đầu vào theo metylic, kg/kg

- aP: nồng độ phần khối lượng hỗn hợp đỉnh theo metylic, kg/kg

- aW: nồng độ phần khối lượng hỗn hợp đáy theo metylic, kg/kg

- yi: nồng độ phần mol của pha hơi ứng với nồng độ phần mol xi của phalỏng,kmol/kmol

- yi*: nồng độ phần mol cân bằng của pha hơi ứng với nồng độ phân mol xicủa pha lỏng, kmol/kmol

- A, B: lần lượt là ký hiệu của methanol và nước

- MA, MB: lần lượt là khối lượng phân tử của methanol và nước

- MA= 32 ; MB= 18

SỐ LIỆU BAN ĐẦU

- Năng suất thiết bị tính theo hỗn hợp đầu: 1,8 kg/s

- Hỗn hợp đầu: 30% khối lượng

- Sản phẩm đỉnh: 97% khối lượng

- Sản phẩm đáy: 4% khối lượng

Phương trình cân bằng vật liêu cho toàn tháp

F

M

a F

3 , 0

6480× + × − = ( kmol/h)

Nồng độ phần mol của hỗn hợp đầu vào:

xF=

F A

F

G M

a F

×

×

75 , 312 32

3 , 0

×

×

(kmol/kmol)Nồng độ phần mol hỗn hợp đỉnh:

xp= − =

+

B

P P

P A P

M

a M

a M a

) 1

18

) 97 , 0 1 ( 32

97 ,

97 , 0

=

−

Nồng độ phần mol của hỗn hợp đáy:

18

04 , 0 1 32

04 ,

04 , 0

+

=

− +

B

w A

w A w

M

a M

a M

) 023 , 0 194 , 0 ( 75 , 312 ) (

w F F P

x x

x x G

697 , 1805 3

, 31 69 ,

Bảng 1: Cân bằng lỏng hơi của hỗn hợp metylic- nước

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 87 75,3 73,1 71,2 69,3 67,6 66 64,5

Đồ thị cân bằng pha của hệ metylic-nước ở áp suất 1 atm

x

R

x x R

R

y [2-144]

Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng có dạng:

w

x x

R

f x

R

f R y

1

1

− + +

F P

x y

y x

Từ bảng 1 ta nội suy được xF= 0,194 ⇒ y* F= 0,569; tF= 82,06 oC ;

xw = 0,023 ⇒yw=0,1233; tw= 96,458 oC;

xP = 0,95 ⇒yP = 0,979 ; tP = 65,25 oC;

Chỉ số hồi lưu lam việc

Rx = b×Rxmin (với b la hệ số dư, b = [1,2÷2,5] ) [2-158]

016 , 1 194 , 0 569 , 0

0,569 - 0,95

*

*

F P x

x y

y x R

Từ bảng số liệu trên ta có đồ thị chỉ số hồi lưu thích hợp:

Dựa vào đồ thị ta thấy Rx = 1.524

Ta có:

42 , 5 69 , 57

75 ,

g

) ( ρ ω

Với gtb: lượng hơi trung bình đi trong tháp, kg/h

(ρyωy)tb: tốc độ hơi trung bình đi trong tháp, kg/m2.s

4.1 Lượng hơi trung bình đi trong tháp

4.1.1 Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện có thể tính gần đúng theo công thứcsau:

2

l đ tbl

g g

P l

P P l l l

l y G x G x

glrl = gđrđ

b l l

a

b đ đ

rl: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện

rđ: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi ra khỏi đỉnh tháp

ra, rb: ẩn nhiệt hóa hơi của các cấu tử A, B nguyên chất

( + 1)

= +

g

Nội suy theo bảng I.213 đối với metylic và bảng I.250 đối với nước sổ tay quátrình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 1 ở các nhiệt độ tF, tp, tw ta được các giá trị ẩnnhiệt hóa hơi của A, B nguyên chất theo bảng sau

Bảng 3: Ẩn nhiệt hóa hơi của cấu tử A, B nguyên chất theo nhiệt độ

gl = Gl + 1805,697glyl = Gl x 0,194 + 1715,41

2

97 , 3328 58

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng được xác định gần đúng bằng côngthức sau:

gtbc=

2

' 'n g l

Với gtbc: lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng, kg/h hay kmol/h

g’n: lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng, kg/h hay kmol/h

gn’= gl vì lượng hơi bốc lên từ đĩa trên cùng của đoạn chưng bằng lượnghơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn luyện

g’l: lượng hơi đi vào đoạn chưng, kg/h hay kmol/h

Lượng hơi đi vào đoạn chưng g’l, lượng lỏng G’l và hàm lượng lỏng x’l đượcxác định theo hệ phương trình sau:

G’l = g’l +GwG’lx’l = g’lyw +Gwxw g’l r’l = g’nr’l = glrl [II – 182]Trong đó y’l = yw = 0,1233: tìm theo đường cân bằng ứng với xw

r’l = ray’l + (1- y’l)rb - ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhấtcủa đoạn chưng

r’n = ray’n + (1- y’n)rb - ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa trên cùngcủa đoạn chưng

Tính tương tự như trên ta được các giá trị G’l, g’l, x’l

G’l = 4676,784 kg/h g’l = 2,481 kg/h x’l = 0,023 kg/h

Vậy lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng là:

gtbc=

2

' 'n g l

=

2

481 , 2 97 ,

= 1665,7255 kg/hLượng lỏng trung bình đi trong đoạn chưng là:

,

= 3100,0285 kg/h

Khối lượng riêng trung bình

* Đối với pha lỏng

Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng được tính theo công thức:

[IX-104a][II-183]

Trong đó:

ρxtb: khối lượng riêng trung bình của lỏng, kg/m3

ρxtb1, ρxtb2 : khối lượng riêng trung bình của methanol và nước của pha lỏng lấytheo nhiệt độ trung bình, kg/m3

atb : phần khối lượng trung bình của methanol trong pha lỏng, kg/kg

Phần khối lượng trung bình của metylic trong pha lỏng ở đoạn luyện atbl vàđoạn chưng atbc là:

atbl=

2

97 , 0 3 , 0 2

+

=

+ P

F a a

= 0,635atbc =

2

04 , 0 3 , 0 2

+

=

+ w

F a a

=0,17Phần mol trung bình của metylic trong pha lỏng ở đoạn luyện xtbl và đoạnchưng xtbc là:

xtbl=

2

95 , 0 194 , 0 2

+

=

+ P

F x x

= 0,572xtbc =

2

023 , 0 194 , 0 2

+

=

+ w

F x x

= 0,1085

Từ phần mol trung bình của metylic trong pha lỏng ở đoạn chưng và đoạnluyện ta tra vào đồ thị cân bằng lỏng hơi của metylic- nước ta được nhiệt độ trungbình của đoạn luyện ttbl=71,7 oC, nhiệt độ trung bình của đoạn chưng ttbc = 87,2 oC

2 1

1 1

xtb

tb xtb

tb

xtb

a a

ρ ρ

ρ

− +

=

Với các nhiệt độ trung bình trên nội suy theo bảng I.2, sổ tay quá trình và thiết

2 1

) 1

xtb tbl

xtb xtb

565 , 976 3 , 744

x x

2 1

) 1

xtb tbc

xtb xtb

96 , 966 08 , 728

x x

x

− + = 915,8758 (kg/m3)

Khối lượng phân tử trung bình của pha lỏng trong đoạn luyện và đoạn chưng: Mxtbl = xtblMA + (1- xtbl)MB = 0,572 x 32 + (1- 0,572)x 18 = 26,008 (kg/kmol)Mxtbc = xtbcMA + (1- xtbc)MB = 0,1085x 32 + (1- 0,1085)x 18 = 19,519 kg/kmol

* Đối với pha hơi

Khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp được xác định theo công thức:

T

M y M

ytb

4 , 22

273 ].

).

1 (

=

Trong đó:

- MA, MB – khối lượng mol của metylic và nước

- T: Nhiệt độ làm việc trung bình của tháp, hay của đoạn chưng hay đoạnluyện,tính theo oK

- ytb: nồng độ phân mol pha hơi trung bình của đoạn chưng, đoạn luyện Đượctính bằng trung bình cộng nồng độ hai đầu đoạn tháp:

2

979 , 0 569 , 0 2

P

F y y

0,774ytbc =

2

023 , 0 569 , 0 2

+

=

+ w

F y y

=0,296Khối lượng riêng trung bình của pha hơi trong đoạn luyện và đoạn chưng:

T

M y M

ytbl

4 , 22

273 ].

).

1 (

=

) 273 7 , 71 ( 4 , 22

273 18 ) 774 , 0 1 ( 32 774 , 0

+

− +

x

x x

= 1,02 (kg/m3)

M y M

ytbc

4 , 22

273 ].

).

1 (

=

) 273 2 , 87 ( 4 , 22

273 18 ) 296 , 0 1 ( 32 296 , 0

+

− +

x

x x

= 0,749 (kg/m3)Khối lượng phân tử trung bình của pha hơi trong đoạn luyện và đoạn chưng: Mytbl = ytblMA + (1- ytbl)MB = 0,774 x 32 + (1- 0,774) x 18 = 28,836 (kg/kmol) Mytbc = ytbcMA + (1- ytbc)MB = 0,296 x 32 + (1 – 0,296) x 18 = 22,144 (kg/kmol)

4.3 Tốc độ của hơi đi trong tháp đệm

Chọn đệm Rasiga bằng sứ đổ lộn xộn kích thước đệm 25x25x3 mm Trabảng IX.8, sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tâp 2 ta được cácthông số sau: σđ =195m2/m3, ρđ=600kg/m3, Vđ = 0.75m3/m3, số đệm trong mộtmét khối là 46.103 Tốc độ hơi đi trong tháp đệm có thể xác định theo côngthức sau:

16 , 0 3

ytb đ s

gV

w Y

µ

µ ρ

ρ σ

[ IX.114 - II – 187]

8

1 4

x

G

G X

ρ ρ

 Gx, Gy: lượng lỏng và lượng hơi trung bình đi trong tháp, kg/s

 μx, μn : độ nhớt của pha lỏng theo nhiệt độ trung bình và độ nhớt củanước ở 20 oC, N.s/m2 Tốc độ làm việc ω =(0 , 8 ÷ 0 , 9)ωs

Độ nhớt của pha lỏng theo nhiệt độ trung bình có thể được tính theo công thứcsau:

lgµx= xtb lgµ1 + (1 – xtb) lgµ2

Tra bảng I.101 sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 1 trang 92 tađược μn=1 x 101-3 N.s/m2 Tra trên toán đồ hình I.18 sổ tay quá trình và thiết bị côngnghệ hóa chất tập 1 trang 90, ứng với nhiệt độ trung bình của đoạn luyện và đoạnchưng ta có:

ttbl = 71,7 oC, μ1 = 0,36 x 10-3 N.s/m2, μ2 = 0,40348 x 10-3 N.s/m2suy ra μxl = 0, 347 x 10-3 N.s/m2

ttbc = 87,2 oC, μ1 = 0,275 x 10-3 N.s/m2, μ2 = 0,33072 x 10-3 N.s/m2 suy ra , μxc = 0, 324 x 10-3 N.s/m2

Thay các giá trị vào công thức ở trên ta tính được tốc độ làm việc của đoạnluyện:

1

59 , 2137

275 , 3943

02 , 1

3 3

16 , 0 3

10 45 , 0

10 1 02

, 1 195

056 , 815 75 , 0 81 , 9 159 , 0

x

x x

x x x YgV

xl

n ytbl đ

xtbl đ

µ ρ

σ

ρ

75 , 1 85 ,

7255 , 1665

749 , 0

3 3

16 , 0 3

10 324 , 0

10 1 749

, 0 195

8758 , 915 75 , 0 81 , 9 294 , 0

x

x x

x x x YgV

xc

n ytbc đ

xtbc đ

µ ρ