CHƯƠNG I: TỔNG QUAN I LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT: Phương pháp chưng cất : Chưng cất qua trình phân tách hỗn hợp lỏng (hoặc khí lỏng) thành cấu tử riêng biệt dựa vào khác độ bay chúng (hay nhiệt độ sôi khác áp suất), cách lặp lặp lại nhiều lần trình bay - ngưng tụ, vật chất từ pha lỏng vào pha ngược lại Khác với cô đặc, chưng cất q trình dung mơi chất tan bay hơi, cịn đặc q trình có dung mơi bay Khi chưng cất ta thu nhiều cấu tử thường cấu tử thu nhiêu sản phẩm Nếu xét hệ đơn giản có hệ cấu tử ta thu sản phẩm: sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm gồm cấu tử có độ bay lớn (nhiệt độ sơi nhỏ ), sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay bé(nhiệt độ sôi lớn) Đối với hệ Nước - Acid acetic sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm nước acid , ngược lại sản phẩm đáy chủ yếu gồm acid acetic nước 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 phương pháp dựa vào nhiệt độ sôi cấu tử, nhiệt độ sôi cấu tử cao ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi cấu tử Nguyên lý làm việc: liên tục, gián đoạn(chưng đơn giản) liên tục * Chưng cất đơn giản(gián đoạn): phương pháp đuợc sử dụng trường hợp sau: + Khi nhiệt độ sôi cấu tử khác xa + Khơng địi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao + Tách hỗn hợp lỏng khỏi tạp chất không bay + Tách sơ hỗn hợp nhiều cấu tử * Chưng cất hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục) q trình thực liên tục, nghịch dịng, nhều đoạn Phương pháp cất nhiệt đáy tháp: cấp nhiệt trực tiếp nước: thường áp dụng trường hợp chất tách không tan nước Vậy: hệ Nước-Axit axetic, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp nhiệt gián tiếp nồi đun áp suất thường 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 vaò lưu chất Tháp chưng cất phong phú kích cỡ ứng dụng ,các tháp lớn thường ứng dụng công nghiệp lọc hố dầu Kích thước tháp : đường kính tháp chiều cao tháp tuỳ thuộc suất lượng pha lỏng, pha khí tháp độ tinh khiết sản phẩm Ta khảo sát loại tháp chưng cất thường dùng tháp mâm tháp chêm 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 đựơc cho tiếp xúc với Tùy theo cấu tạo đĩa, ta có: * Tháp mâm chóp : mâm bố trí có chép dạng:trịn ,xú bắp ,chữ s… * Tháp mâm xuyên lỗ: mâm bố trí lỗ có đường kính (3-12) mm Tháp chêm (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 xếp thứ tự So sánh ưu nhược điểm loại tháp: Ưu điểm: Tháp chêm - Đơn giản - Trở lực thấp Nhược điểm: Tháp mâm xuyên lỗ Tháp mâm chóp - Hiệu suất tương đối cao - Hiệu suất cao - Hoạt động ổn định - Hoạt động ổn định - Làm việc với chất lỏng bẩn - Hiệu suất thấp - Trở lực cao - Cấu tạo phức tạp - Độ ổn định - Yêu cầu lắp đặt khắt - Trở lực lớn kém khe -> lắp đĩa thật phẳng - Không làm việc với - Thiết bị nặng chất lỏng bẩn Nhận xét: tháp mâm xuyên lỗ trạng thái trung gian tháp chêm tháp mâm chóp Nên ta chọn tháp chưng cất tháp mâm xuyên lỗ Vậy: Chưng cất hệ Nước- Axit axetic ta dùng tháp mâm xuyên lỗ hoạt động liên tục áp suất thường, cấp nhiệt gián tiếp đáy tháp II.GIỚI THIÊU SƠ BỘ NGUYÊN LIỆU: Nguyên liệu hỗn hợp axit axetic-Nước 1.Axit acetic: 1.1.Tính chất: +Acid acetic chất lỏng khơng màu, có mùi thơm đặc trưng, vị chua, tan nước cồn etylic +Khối lượng riêng acid acetic 200C 1,0498 kg/cm3 +Nhiệt độ sôi áp suất thường 1180C, tan vô hạn nước Trong q trình hỗn hợp với nước có co thể tích, chứa 73% acid acetic ( D: 1,078 1,0553 nước với axit tinh khiết) Người ta suy hàm lượng acid acetic nước từ tỷ trọng nước, ngoại trừ hàm lượng 43% +Tính ăn mịn kim loại: + Acid acetic ăn mịn sắt + Nhơm bị ăn mịn axit lỗng, đề kháng tốt acid acetic đặc khiết Đồng chì bị ăn mòn acid acetic với diện khơng khí +Thiết số loại thép nikel - crom đề kháng tốt acid acetic Acid acetic khiết cịn gọi acid glaxxial dễ dàng đông đặc kết tinh nước đá 17oC, điều chế chủ yếu oxy hóa acid acetic 1.2.Điều chế: Acid acetic điếu chế cách: a Oxy hóa có xúc tác cồn etylic để biến thành andehyt acetic, giai đoạn trung gian Sự oxy hóa kéo dài tiếp tục oxy hóa andehyt acetic thành acid acetic CH3CHO + ½ O2 = CH3COOH C2H5OH + O2 = CH3COOH + H2O b Oxy hóa andehyt acetic tạo thành cách tổng hợp từ acetylen Sự oxy hóa andehyt tiến hành khí trời với diện coban acetat Người ta thao tác andehyt acetic nhiệt độ gần 80oC để ngăn chặn hình thành peroxit Hiệu suất đạt 95-98% so với lý thuyết Người ta đạt dễ dàng sau chế acid acetic kết tinh nước Cobanaxetatở80o C CH3CHO + ½ O2 CH3COOH c Tổng hợp từ cồn metylic cacbon oxit Hiệu suất đạt 50-60% so với lý thuyêt cách cố định cacbon oxit cồn metylic qua xúc tác Nhiệt độ từ 200 – 500oC, áp suất 100-200atm CH3OH + CO CH3COOH với diện metaphotphit photpho - vonframat kim loại hóa trị ( chẳng hạn sắt, coban) 1.3.Ứng dụng: Acid acetic acid quan trọng loại acid hữu cơ.Acid acetic tìm nhiều ứng dụng loại acid hữu rẻ tiền Nó dùng để chế tạo nhiều hợp chất este Nguồn tiêu thụ chủ yếu acid acetic là: + Làm giấm ăn (dấm chứa 4,5% acid acetic) Nhân dân ta thường lam giấm ăn cách lên men nước mía , nước mật, chuối chín Các chất đường mía, chuối lên men thành rượu thành giấm Điều kiện thuận lợi cho lên men giấm nhiệt độ 25-50oC men giấm phải tiếp xúc với khơng khí + Làm đông đặc nhựa mủ cao su + Làm chất dẻo tơ sợi xenluloza acetat, làm phim ảnh không nhạy lửa + Làm chất nhựa kết dính polyvinyl acetat + Làm phẩm màu, dược phẩm, nước hoa tổng hợp + Axit nhôm dùng làm chất cắn màu ( mordant nghề nhuộm) + Phần lớn este acetat dung môi, izoamyacetat tan nhiều loại nhựa xenluloza Nước: Trong điều kiện bình thường: nước chất lỏng không màu, không mùi, không vị khối nước dày có màu xanh nhạt Khi hóa rắn tồn dạng tinh thể khác Tính chất vật lý: + Khối lượng phân tử : 18g/mol + Khối lượng riêng d40c : 1g/ml + Nhiệt độ nóng chảy : 00C + Nhiệt độ sôi : 1000C Nước hợp chất chiếm phần lớn trái đất(3/4 diện tích trái đất nước biển) cần thiết cho sống Nước dung mơi phân cực mạnh, có khả hịa tan nhiều chất dung môi quan trọng kỹ thuật hóa học III.CƠNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ NƯỚC-ACID ACETIC CHƯƠNG II: CÂN BẰNG VẬT LIỆU I CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU: Gọi: GF, F: suất lượng hỗn hợp đầu tính theo kg/h, kmol/h GD, D: suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo kg/h, kmol/h GW, W: suất lượng sản phẩm đáy tính theo kg/h, kmol/h xF: nồng độ hỗn hợp đầu ( phần mol) xD: nồng độ sản phẩm đỉnh (phần mol) xW: nồng độ sản phẩm đáy (phần mol) aF: nồng độ phần khối lượng hỗn hợp đầu aD: nồng độ phần khối lượng sản phẩm đỉnh aW: nồng độ phần khối lượng sản xi ,ai: phần mol, phần khối lượng cấu tử i * Theo yêu cầu ban đầu ta có: Năng suất sản phẩm đáy : GW = 1000kg/h Nồng độ hỗn hợp đầu : aF = 75% Nồng độ sản phẩm đáy : aW = 5% Hiệu suất thu hồi acid acetic : = 90% Ký hiệu: A: Nước → MA=18 B: Acid acetic → MB=60 II TÍNH CÂN BẰNG VÂT LIỆU : 2.1 Công thức liên hệ nồng độ phần mol & nồng độ phần khối lượng X jM j xj Xi Mi Thành phần mol hỗn hợp đầu aF MA xF aF aF MA MB 0,75 18 = 0,9091 0,75 0.75 18 60 Thành phần mol sản phẩm đỉnh aW 0,05 MA 18 xW = 0,1493 aW aW 0,05 0,05 18 60 MA MB Suất lượng sản phẩm đáy tính theo kmol/h: W = += 1000 0,05 1000 (1 0,05) + 18 60 =18,61(Kmol/h) Do hiệu suất thu hồi acid acetic: = 90% nên ta có: (1-xw) W = (1- xF) F (1- 0,1493) 18,61 = 0,9 (1- 0,9091) F F=193,52(Kmol/h) Cân vật chất cho toàn tháp: F = D + W D = F-W D = 174,91(Kmol/h) Cân cấu tử nước (cấu tử nhẹ): F.xF = D.xD + W.xW xD= = 193,52 0,9091 18,61 0,1493 = 0,9899 174,91 Từ ta suy ra: Nồng độ phần khối lượng hỗn hợp đỉnh: 18.x D 18 0,9899 aD 18.x (1 x ).60 18.0,9899 (1 0,9899).60 =0,9672 D D Suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo kg/h: GD = D {18 xD+ ( 1-xD) 60} = 174,91 {18 0,9899+ (1-0,9899) 60} =3222,22 Suất lượng hỗn hợp đầu tính theo kg/h: GF = GD + GW =3222,22 +1000 = 4222,22 Như ta có bảng tổng kết thành phần sau: Phần khối lượng 75% Hỗn hợp đầu 90,91% Suất lượng (kg/h) 4222,22 Suất lượng (kmol/h) 193,52 Phần mol Sản phẩm đỉnh 96,72% 98,99% 3222,22 174,91 Sản phẩm đáy 5% 14,93% 1000 18,61 Thành phần pha hỗn hợp hai cấu tử nước- acid acetic: Dựa vào bảng IX 2a/148 sổ tay QTTB&CNHH Tập II, thành phần cân lỏng (x) – (y) nhiệt độ sôi hỗn hợp hai cấu tử 760mmHg 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 y 9.2 16.7 30.3 42.5 53 62.6 71.6 79.5 86.4 93 100 t 118.4 115.4 113.8 110.1 107.5 105.8 104.4 103.3 102.1 101.3 100.6 100 III CHỈ SỐ HỒI LƯU THÍCH HỢP: 1.Chỉ số hồi lưu tối thiểu: Chỉ số hồi lưu tối thiểu chế độ làm việc mà ứng với số mâm lý thuyết vơ cực Do đó, chi phí cố định vơ cực chi phí điều hành ( nhiên liệu, nước bơm ) tối thiểu xF = 0,9091 y*F =0,9362 (dựa vào đường cân đồ thị x,y) xD y F y F xF 0,9899 0,9362 1,9815 0,9362 0,9091 Rmin = 2.Chỉ số hồi lưu thích hợp( Rop): Rx = Rxmin ,với hệ số (1,1 ÷ 1,5) ( theo Các q trình, thiết bị cơng nghệ hóa chất thực phẩmNguyễn Bin) Xác định Rx thích hợp theo số bậc thay đổi nồng độ tiến hành sau: cho nhiều giá trị Rx lớn giá trị Rxmin Với giá trị trên, ta xác định tung độ đường làm việc với trục tung B, với : xD y1 R x Vẽ đường làm việc đoạn luyện đoạn chưng Đường làm việc đoạn luyện qua điểm M(x, y) với x = y = xD điểm B rục tung xác định Đường làm việc đoạn chưng qua điểm N (x, y) với x = y = xW cắt đường làm việc đoạn luyện điểm có hồnh độ xF Với đường làm việc, ta xác định số bậc thay đổi nồng NL đồ thị x–y sau: Trên đồ thị x–y vẽ đường cân bằng, từ điểm M vẽ đường thẳng song song với trục hoành cắt đường cân điểm, từ giao điểm vẽ đường thẳng song song với trục tung cắt đường cân điểm, tiếp tục tới điểm N Đếm số bậc thay đổi nồng độ NL đồ thị Với bậc thay đổi nồng độ ứng với ngăn thiết bị gọi số ngăn lý thuyết Trong thực tế số ngăn thiết bị lớn số ngăn lý thuyết điều kiện chuyển khối chưa tốt Vì số ngăn thực tế phải điều chỉnh Dựa vào đồ thị xác định số bậc thay đổi nồng độ ta có kết sau : Rx y1 Nlt 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 2,1797 2,378 2,576 2,774 2,972 0,3113 0,2931 0,2768 0,2623 0,2492 41,5 đĩa 32,5 28,5 26,5 24,5 Nlt.(Rx + 1) 131,96 109,78 101,916 100,015 97,32 Dựa vào bảng ta vẽ đồ thị phụ thuộc NL.(Rx + 1) vào Rx Sau dựa vào đồ thị để xác định số Rx thích hợp ... đoạn luyện đoạn chưng Đường làm việc đoạn luyện qua điểm M(x, y) với x = y = xD điểm B rục tung xác định Đường làm việc đoạn chưng qua điểm N (x, y) với x = y = xW cắt đường làm việc đoạn luyện. .. tháp mâm chóp Nên ta chọn tháp chưng cất tháp mâm xuyên lỗ Vậy: Chưng cất hệ Nước- Axit axetic ta dùng tháp mâm xuyên lỗ hoạt động liên tục áp suất thường, cấp nhiệt gián tiếp đáy tháp II.GIỚI THIÊU... sắt + Nhơm bị ăn mịn axit lỗng, đề kháng tốt acid acetic đặc khiết Đồng chì bị ăn mịn acid acetic với diện khơng khí +Thiết số loại thép nikel - crom đề kháng tốt acid acetic Acid acetic khiết