THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG CẤT METHANOL NƯỚC DÙNG THÁP MÂM CHÓP

Khái niệm Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng cũng như hỗn hợp khí lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗ

CHÖÔNG I TOÅNG QUAN

I LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT

1 Khái niệm

Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng cũng như 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, áp suất hơi bão hòa của các cấu tử khác nhau) Thay vì đưa vào trong hỗn hợp một pha mới để tạo nên sự tiếp xúc giữa hai pha như trong quá trình hấp thu hoặc nhả khí, trong quá trình chưng cất pha mới được tạo nên bằng sự bốc hơi hoặc ngưng tụ

Giữa hai quá trình cô đặc và chưng cất có một ranh giới cơ bản là trong quá trình chưng cất dung môi và chất tan đều bay hơi (nghĩa là các cấu tử đều hiện diện trong cả hai pha nhưng với tỷ lệ khác nhau), còn trong quá trình cô đặc thì chỉ có dung môi bay hơi còn chất tan không bay hơi

Khi chưng cất 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 cấu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt độ sôi nhỏ )

- Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi nhỏ (nhiệt độ sôi lớn) Đối với hệ Metanol - Nước sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm etanol và một ít nước , ngược lại sản phẩm đáy chủ yếu gồm nước và một ít etanol

2 Phân loại các phương pháp chưng cất

 Phân loại theo áp suất làm việc :

- Áp suất thấp

- Áp suất thường

- Áp suất cao

 Phân loại theo nguyên lý làm việc :

- Chưng cất đơn giản

- Chưng bằng hơi nước trực tiếp

- Chưng cất liên tục

 Phân loại theo phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp :

- Cấp nhiệt trực tiếp

- Cấp nhiệt gián tiếp

3 Thiết bị chưng cất

Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để tiến hành chưng cất Tuy nhiên yêu cầu cơ bản chung của các thiết bị vẫn giống nhau nghĩa 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 Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng

ta có các loại tháp mâm, nếu pha lỏng phân tán vào pha khí ta có tháp chêm, tháp phun,… Ở đây ta khảo sát 2 loại tháp thường dùng trong chưng cất 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, trên đó pha lỏng và pha hơi được cho tiếp xúc với nhau Tùy theo cấu tạo của đĩa, ta có:

- Tháp mâm chóp : trên mâm bố trí có chóp dạng tròn hay một dạng

khác…

- Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh

 Tháp chêm (tháp đệm) : tháp hình trụ, gồm nhiều bậc 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 nhược điểm của các loại tháp:

Tháp chêm Tháp mâm xuyên lỗ Tháp mâm

- Làm việc được với chất

lỏng bẩn nếu dùng đệm cầu

có  của chất lỏng

- Kết cấu khá đơn giản

- Trở lực tương đối thấp

- Có thể làm việc với chất lỏng bẩn

- Khá ổn định

- Hiệu suất cao hơn tháp mâm xuyên lỗ

Nhược

điểm

- Do có hiệu ứng thành 

hiệu suất truyền khối thấp

hơn tháp mâm

- Độ ổn định không cao, khó

vận hành

- Khi tăng năng suất thì hiệu

ứng thành tăng

- Thiết bị khá nặng nề

- Có khoảng làm việc hẹp hơn tháp chóp

- Yêu cầu chế tạo khắt khe

- Chất lỏng phân bố không đều trên mâm có đường kính lớn ( >

2,4 m )

- Có trở lực lớn

- Tiêu tốn nhiều vật tư, kết cấu phức tạp

Nhận xét : Tháp mâm chóp có hiệu suất truyền khối cao nhất so với 2 loại tháp còn lại

Vậy : để chưng cất hệ Methanol - Nước ta sử dụng tháp mâm chóp hoạt

động liên tục ở áp suất thường, cấp nhiệt gián tiếp ở đáy tháp

II TÍNH CHẤT NGUYÊN LIỆU

1 Methanol

Methanol còn gọi là rượu gỗ, có công thức hóa học CH3OH Là chất lỏng không màu, dễ bay hơi và rất độc Các thông số của methanol:

- Phân tử lượng: 32,04 g/mol

- Khối lượng riêng: 0,7918 g/cm3

- Nhiệt độ nóng chảy: -97oC (176K)

- Nhiệt độ sôi: 64,5oC ( 337,8K)

- Độ nhớt: 0,59 Ns/m2 ở 20oC

1.1 Ứng dụng

Methanol được dùng làm chất chống đông, làm dung môi, làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong, nhưng ứng dụng lớn nhất là làm nguyên liệu để sản xuất các hóa chất khác

Khoảng 40% metanol được chuyển thành forml dehyde, từ đó sản xuất ra chất dẻo, sơn…Các hóa chất khác được dẫn xuất từ metanol bao gồm dimeylete…

1.2 Sản xuất

Methanol được sinh ra từ sự trao đổi chất yếm khí của 1 vài loài vi khuẩn Kết quả là 1 lượng nhỏ hơi methanol được tạo thành trong không khí Và sau vài ngày không khí có chứa methanol sẽ bị oxy hoá bởi O2 dưới tác dụng của ánh sáng chuyển thành CO2 và H2O theo phương trình:

2CH3OH + 3O2 2CO2 + 4H2O

Hiện nay methanol được sản xuất bằng cách tổng hợp trực tiếp từ

H2 và CO, gia nhiệt ở áp suất thấp có mặt chất xúc tác

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

- Nước là hợp chất chiếm phần lớn trên trái đất (3/4 diện tích trái đất là

nước biển) và rất cần thiết cho sự sống

- Nước có tính phân cực mạnh, có khả năng hoà tan nhiều chất vì vậy nó là dung môi rất quan trọng trong kỹ thuật hóa học

3 Hỗn hợp Methanol-nước

Ta có bảng cân bằng lỏng-hơi cho hỗn hợp methanol - nước ở 1 atm

Bảng 1

toC 100 92,3 87,7 81,7 78 75,3 73,1 71,2 69,3 67,5 66 64,5

Ở đây x là thành phần lỏng

y là thành phần hơi

Bảng 1.1 : Một số thông số vật lý và nhiệt động trên đường bão hòa

Độ nhớt, Pa.s

Nhiệt dung riêng, kJ/kg.độ

Nhiệt hóa hơi, kJ/kg Thể

lỏng

Thể hơi

Đồ thị cân bằng pha của hệ Methanol – nước ở áp suất 1at

CHƯƠNG 2 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

I BẢN VẼ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

Chú thích các kí hiệu trong hình

1 – Bồn chứa nguyên liệu,

2 – Bơm,

3 – Bồn cao vị,

4 – Lưu lượng kế,

5 – Thiết bị đun sôi dòng nhập liệu,

11 – Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh,

12 - Bồn chứa sản phẩm đỉnh,

13 – Thiết bị đun sôi đáy tháp,

14 – Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy

15 – Bồn chứa sản phẩm đáy,

16 – Bơm sản phẩm đáy

II THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

Hỗn hợp Methanol - Nước có nồng độ Methanol 18% (theo khối lượng), nhiệt độ khoảng 27 0C tại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3) Từ đó được đưa đến thiết bị gia nhiệt (5) Ở đây, hỗn hợp được đun sôi đến nhiệt độ sôi nhờ hơi nước bão hòa Sau đó, hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất (9) 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 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 Methanol chiếm nhiều nhất (93% theo khối lượng) Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ (10) và được ngưng tụ thành lỏng (khí không ngưng được đưa ra ngoài qua van xả) Một phần lỏng ngưng được hồi lưu về tháp ở đĩa trên cùng với tỷ số hoàn lưu thích hợp Phần còn lại của chất lỏng ngưng qua thiết bị làm nguội (11) sản phẩm đỉnh được làm nguội đến 350C, rồi được đưa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh (12)

Nhiệt độ càng xuống dưới càng cao, nồng độ cấu tử khó bay hơi trong chất lỏng ngày càng tăng Cuối cùng, ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng gồm hầu hết là cấu tử khó bay hơi – nước (Methanol chỉ chiếm 2,2% theo khối lượng) Dung dịch ở đáy đi ra khỏi tháp vào nồi đun (13) Dung dịch dược đun, bốc hơi

ở nồi đun (nhờ hơi nước bão hòa) cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc Phần còn lại chảy qua gờ chảy tràn ra ngoài về bồn chứa sản phẩm đáy (14) Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là chất lỏng chứa 93% Methanol về khối lượng

Đây chỉ là quy trình công nghệ ban đầu Ở phần sau của bản thuyết minh, việc so sánh lượng nhiệt cần thiết để đun sôi nhập liệu và lượng nhiệt tỏa ra từ sản phẩm đáy sẽ đưa ra quy trình phù hợp hơn

CHƯƠNG 3 CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG

I CÂN BẰNG VẬT CHẤT

1 Các thông số ban đầu

 Các kí hiệu :

- GF (kg/h) , F (kmol/h) : suất lượng nhập liệu

- GD (kg/h), D (kmol/h) : suất lượng sản phẩm đỉnh

- GW (kg/h),W (kmol/h) : suất lượng sản phẩm đáy

- xF : nồng độ phần mol Etanol trong nhập liệu (kmol/kmol hỗn hợp)

- xD :nồng độ phần mol Etanol trong sản phẩm đỉnh (kmol/kmol hỗn hợp)

- xW : nồng độ phần mol Etanol trong sản phẩm đáy (kmol/kmol hỗn hợp)

- XF : nồng độ phần khối lượng Etanol trong nhập liệu (kg/kg hỗn hợp)

- XD :nồng độ phần khối lượng Etanol trong sản phẩm đỉnh (kg/kg hỗn hợp)

- XW : nồng độ phần khối lượng mol Etanol trong sản phẩm đáy (kg/kg hỗn

hợp)

 Các số liệu ban đầu :

- Năng suất nhập liệu : 6500 kg/h

- Nồng độ sản phẩm đỉnh : XF = 0,93 kg/kg hỗn hợp

- Nồng độ nhập liệu : XD = 0,18 kg/kg hỗn hợp

- Nồng độ sản phẩm đáy : XW = 0,022 kg/kg hỗn hợp

 Chọn các thông số sau :

- Nhiệt độ nhập liệu ban đầu : to

F = 27oC

- Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội : tD = 45oC

- Hơi đốt sử dụng là hơi nước bão hòa ở 2 at

- Nước cấp cho thiêt bị ngưng tụ và làm nguội có nhiệt độ ban đầu 30oC

- Trạng thái nhập liệu là trạng thái lỏng sôi

2 Xác định suất lượng sản phẩm đỉnh và đáy

 Phương trình cân bằng vật chất cho toàn bộ tháp chưng cất :

 Năng suât nhập liệu là 6500 kg/h ở 27oC

 Chuyển từ phần khối lượng sang phần mol:

xF =

n

F r

F

r F

M

X M

X M X

)1

( 

18

)18,01(32

18,0

32

18,0



xD =

n D r

D r D

M

X M

X M X

) 1 ( 



=

18

)93,01(32

93,0

32

93,0

w r w

M

X M

X M X

)1

( 

18

)022,01(32

022,0

46

022,0



 Suất lượng sản phẩm đỉnh :

F =

32

18,0.6500

+

18

)18,01.(

6500 

= 332,67 ( kmol/h )

 Từ ( 3.1 ) và ( 3.2 ) ta có:

h kg G

h kg G

W D

3 Xác định tỉ số hồi lưu thích hợp

3.1 Tỉ số hồi lưu tối thiểu :

- Chỉ số hồi lưu R = Lo/D ( Lo : lưu lượng lỏng hồi lưu trong tháp , kmol/h) có ảnh hưởng đế quá trình chưng luyện, cụ thể nó ảnh hưởng đến vị trí đường nồng độ làm việc do đó ảnh hưởng đến hiệu suất (số đĩa) và năng suất (đường kính) tháp chưng luyện

- Tỉ số hoàn lưu tối thiểu là chế độ làm việc mà tại đó ứng với số mâm là vô cực nhưng chi phí điều hành (nhiệt, nước, công để bơm) là tối thiểu Khi nhập liệu ở trạng thái lỏng sôi, Rmin có thể được xác định theo công thức (7.75,p.200,[III]) :

F D

x y

y x

(CT7.75,p.200,[III])

3.2 Tỉ số hoàn lưu thích hợp :

- Khi R tăng, số mâm sẽ giảm nhưng đường kính tháp, thiết bị ngưng tụ, nồi đun và công để bơm cũng tăng theo Chi phí cố định sẽ giảm dần đến cực tiểu rồi tăng đến vô cực khi hoàn lưu toàn phần Lượng nhiệt và lượng nước sử dụng cũng tăng theo tỉ số hoàn lưu

- Tổng chi phí bao gồm : chi phí cố định và chi phí điều hành Tỉ số hoàn lưu thích hợp ứng với tổng chi phí là cực tiểu

- Tuy nhiên, đôi khi các chi phí điều hành rất phức tạp, khó kiểm soát nên người ta có thể tính tỉ số hoàn lưu thích hợp từ điều kiện tháp nhỏ nhất Để tính được tỉ số hoàn lưu thích hợp theo điều kiện tháp nhỏ nhất (không tính

đến chi phí điều hành),ta cần lập mối quan hệ giữa tỉ số hoàn lưu và thể tích tháp ,từ đó chọn Rth ứng với thể tích tháp là nhỏ nhất

- Trong bài toán thiết kế này, có thể lấy gần đúng theo kinh nghiệm :

R = 1,3Rmin + 0,3 = 1,3.1,38198 + 0,3 = 2,096574

4 Phương trình đường làm việc, số mâm lý thuyết

4.1 Đường nồng độ làm việc của đoạn cất :

y =

1

.1

=

1096574,

2

882,0

1096574,

2

096574,

R

f R

1

1

2

926,81

1096574,

2

926,8096574,

67 , 332



D

F

= 8,926 : chỉ số nhập liệu

4.3 Số mâm lý thuyết :

Từ đồ thị, ta có số mâm lí thuyết là 8 – 1 = 7 mâm (nồi đun được xem là tương đương với một mâm lý thuyết) bao gồm :

3 mâm chưng

4 mâm cất

Nhập liệu ở mâm số 4 tính từ dưới lên

5 Số mâm thực tế

Số mâm thực tế được xác định theo hiệu suất trung bình :

tb

lt t

N N





(CT IX.59, p.170,[II])

Trong đó Nt : số đĩa thực tế , Nlt : số đĩa lý thuyết

tb : hiệu suất trung bình của thiết bị

1, 2, …n, : hiệu suất của các bậc thay đổi nồng độ

(CT IX.60, p.171,[II])

n : số vị trí tính hiệu suất

tb : là một hàm số của độ bay hơi tương đối và độ nhớt của hỗn hợp lỏng

Trong đó : 1, 2, …, n : độ nhớt động học của các cấu tử thành phần (cP)

x1 , x2 , …, xn : là nồng độ phần mol của các cấu tử thành phần

Ta tính hiệu suất tại 3 vị trí trên giản đồ xác định mâm lý thuyết :

n

n tb

Như vậy, số mâm thực tế là 16 mâm, bao gồm :

Số đĩa phần cất : 7 Số đĩa phần chưng : 9 Nhập liệu ở mâm số 9 tính từ dưới lên

46 , 0 3

445 , 0 42 , 0 515 ,

3





II CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG

1 Tại thiết bị đun sôi nhập liệu

- Dùng hơi nước ở áp suất 2at , th = 119,6 oC

- 1 : nhiệt lượng riêng của hơi đốt ( J/Kg)

- R1 : ẩn nhiệt hóa hơi ( J/Kg), r1 = 2208 kJ/kg

- t1 : nhiệt độ nước ngưng, t1 = th = 119,6oC

 Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào ở 27oC :

 Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra : Qng1 = Gng1.C1 .th = D1 .C1 th ( hơi đốt ngưng tụ hoàn toàn và nước ngưng không bị mất nhiệt)

 Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh, lấy Qxq1 = 5%QD1

D1 = (QF – Qf)/(0,95r1) = (560,5-165,3).3600/(0,95.2208) = 687,26 (kg/h)

Vậy : lượng hơi đốt 2at cần dùng để đun sôi nhập liệu là 687,26 kg/h

2 Tại tháp chưng cất

QF + QD2+ QR = Qy + Qw + Qxq+ Qng2 (CT IX.156, p.197,[II])

 Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào QF = 560,5 kW

 Nhiệt lượng do hơi đốt đun sôi đáy tháp QD2 :

QD2= D2.2 = D2.(r2 + C2.t2) (CT IX.157, p.197,[II])

Cũng sử dụng hơi nước 2at, số liệu giống hơi đốt đun sôi nhập liệu

 Nhiệt lượng do lưu lượng lỏng hồi lưu mang vào :

Vậy : QR = 231,35,2889,66,3/(1000.3600) = 126,67 (kW)

 Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp :

p.198,[II])

- Nhiệt lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp D ở 66,3oC :

D = r.YD + n ( 1 -YD) = r.XD + n ( 1 -XD)

r = rr + tD Cr = 2342 + 66,3.4184 = 2619,4 kJ/kg

n = rn + tD Cn = 2342 + 66,3 4184 =2619,4 kJ/kg  D = 1394,3(kJ/kg)

 Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh: Qxq2 = 5%QD2

 Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra Qng2 = Gng2 C2 t2 = D2.C2.t2 (xem toàn bộ hơi đốt ngưng tụ và nước ngưng ra không bị mất nhiệt)

D2 = (Qy + Qw – QF – QR)/(0,95.r2) = (1356,47 + 617,18-360,5 – 126,67).3600/(0,95.2208) = 2207,9 (kg/h)

Vậy : lượng hơi đốt 2at cần dùng trong nồi đun là 2207,9 kg/h

Tổng lượng hơi đốt cần cung cấp cho hệ thống là 2886,16 kg/h

3 Tại thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh

Ngưng tụ hoàn toàn hơi ra khỏi đỉnh tháp, ta có :

D.(R+1).rD = Gn1.Cn.(t2-t1)

- rD : ẩn nhiệt ngưng tụ sản phẩm đỉnh ở 66,3oC

rr = 1116,98 kJ/kg, rn = 2342 kJ/kg

Tổng lượng nước giải nhiệt cần cung cấp cho hệ thống là95062,9 kg/h

5 Tại thiết bị làm nguội sản phẩm đáy

30 45 (

4178

7 , 1202

096574 ,

3 06 , 1136 )

(

) 1 (

1 2

t t C

r R

G G

n

D x

CHƯƠNG 4

TÍNH TOÁN

THIẾT BỊ CHÍNH

I ĐƯỜNG KÍNH THÁP

Đường kính tháp được xác định theo công thức (CT IX.90, p.181,[II]) :

D = 0,0188

tb y y tb

g

)

Trong đó : gtb - lượng hơi trung bình đi trong tháp (kg/h)

(tb.y )tb - tốc độ hơi trung bình đi trong tháp (kg/m2.s)

Vì rằng lượng hơi và lượng lỏng thay đổi theo chiều cao của tháp nên ta tính đường kính trung bình riêng cho từng đoạn : đoạn chưng và đoạn cất

Hình 4.1 : ân bằn v t c ất c t áp c ưn cất