KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC    ĐỀ TÀI: CHƯNG CẤT METHANOL – AXETOL GVHD: LÊ NHẤT THỐNG SVTH: TRẦN NGỌC HIỆP ĐẶNG THỊ LIÊN LỚP: ĐHHO4TLT TP.HCM, Tháng 12 năm 2012 ĐỒ ÁN HỌC PHẦN BỘ CÔNG THƯƠNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC ĐỒ ÁN MÔN HỌC CHUYÊN ĐỀ CHƯNG CẤT Họ tên sinh viên: TRẦN NGỌC HIỆP & ĐẶNG THỊ LIÊN Lớp: ĐHHO4TLT 1. Yêu cầu: Tính và thiết kế thiết bị chưng cất làm việc liên tục, dùng để chưng cất hỗn hợp Ethanol – Axetol. 2. Với các số liệu sau: - Năng suất tính theo suất lượng hỗn hợp vào 3000 kg/h. - Hỗn hợp đưa vào tháp ở trạng thái lỏng sôi. - Nồng độ đầu của hỗn hợp là 40% khối lượng theo cấu tử dễ bay hơi. - Nồng độ sản phẩm đỉnh 98% khối lượng theo cấu tử dễ bay hơi. - Nồng độ sản phẩm đáy 2,5% khối lượng theo cấu tử dễ bay hơi. - Áp suất hơi đốt (hơi nước bão hòa) là 2at. 3. Nhiệm vụ và nội dung tính toán: - Chọn vật liệu chế tạo. - Cân bằng vật chất và nhiệt lượng. - Tính thiết bị chính. - Tính thiết bị ngưng tụ và chọn bơm. - Vẽ bản vẽ quy trình công nghệ A 1 và bản vẽ chi tiết A 1 Giáo viên hướng dẫn Lê Nhất Thống NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN ********** ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… TP.HCM, ngày tháng năm 2012 Người nhận xét PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ: I. - MỞ ĐẦU II. - TÍNH CHẤT HOÁ LÝ CỦA AXETON – METANOL 1. Một số tính chất của Metanol 2. Một số tính chất của Axeton III - TỔNG QUAN VỀ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ PHẦN II: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ: A - CÂN BẰNG VẬT LIỆU VÀ NHIỆT LƯỢNG: I - CÂN BẰNG VẬT LIỆU 1. Thông số ban đầu 2. Tính cân bằng vật liệu 3. Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng và đoạn luyện 4. Xác định số đĩa của tháp chưng luyện II - CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG 1. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng 2. Cân bằng nhiệt lượng cho toàn tháp 3. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ 4. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm lạnh B - THÔNG SỐ CHÍNH CỦA THÁP: I - ĐƯỜNG KÍNH THÁP 1. Đường kính đoạn luyện 2. Đường kính đoạn chưng II - CHIỀU CAO THÁP 1. Chiều cao đoạn luyện 2. Chiều cao đoạn chưng III - TÍNH TRỞ LỰC 1. Trở lực đoạn luyện 2. Trở lực đoạn chưng C - TÍNH CƠ KHÍ THIẾT BỊ CHÍNH: I - BỀ DÀY THÂN THÁP II- TÍNH ĐÁY VÀ NẮP THIẾT BỊ III- BỀ DÀY LỚP CÁCH NHỆT IV -TÍNH ĐƯỜNG KÍNH ỐNG DẪN 1. Đường kính ống dẫn sản phẩm đỉnh 2. Đường kính ống dẫn hỗn hợp đầu 3. Đường kính ống dẫn sản phẩm đáy 4. Đường kính ống hồi lưu V - KÍCH THƯỚC ĐĨA PHÂN PHỐI VÀ LƯỚI ĐỠ ĐỆM VI - MẶT BÍCH 1. Bích để nối thiết bị 2. Bích để nối thiết bị với ống VII – CỬA NỐI THIẾT BỊ VIII- CHÂN ĐỠ VÀ TAI TREO THIẾT BỊ 1. Khối lượng toàn tháp 2. Chân đỡ và tai treo D - TÍNH THIẾT BỊ PHỤ I - TÍNH THIẾT BỊ ĐUN NÓNG HỔN HỢP ĐẦU II - TÍNH VÀ CHỌN BƠM PHẦN III: KẾT LUẬN PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM, DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ I-MỞ ĐẦU Trong công nghệ hóa học, để phân riêng hổn hợp 2 hay nhiều cấu tử hòa tan một phần hay hoàn toàn vào nhau, ta có thể sử dụng nhiều phương pháp khác nhau như: Hấp thụ, hấp phụ, trích ly, chưng cất, sấy, Mỗi phương pháp điều có những đặc thù riêng và có những ưu nhược điểm nhất định. Việc lựa chọn phương pháp và thiết bị cho phù hợp tùy thuộc vào hổn hợp ban đầu, yêu cầu sản phẩm và điều kiện kinh tế. Đối với hỗn hợp Axeton - Etanol là hỗn hợp 2 cấu tử tan hoàn toàn vào nhau theo bất kỳ tỷ lệ nào (hỗn hợp đẳng phí) và có nhiệt độ sôi khác biệt nhau ở cùng điệu kiện áp suất. Do đó phương pháp tối ưu để tách hỗn hợp trên là chưng cất. Phương pháp này dựa vào độ bay hơi khác nhau giữa các cấu tử bằng cách thực hiện quá trình chuyển pha và trao đổi nhiệt giữa 2 pha lỏng - khí. Sản phẩm đỉnh thu được gồm cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần cấu tử có độ bay hơi thấp hơn. Còn sản phẩm đáy thu được chủ yếu là cấu khó bay hơi và một phần cấu tử dễ bay hơi. Quá trình chưng cất cũng có nhiều phương pháp khác nhau như: chưng đơn giản: dùng để tách các cấu tử có độ bay hơi khác biệt nhau. Nó dùng để tách sơ bộ và làm sạch cấu tử khỏi tạp chất; chưng chân không: dùng trong trường hợp cần hạ thấp nhiệt độ sôi của cấu tử do cấu tử dễ phá hủy nhiệt hay có nhiệt độ sôi quá cao; Chưng bằng hơi nước trực tiếp: Dùng để tách các hỗn hợp gồm các chất khó bay hơi và tạp chất không bay hơi; chưng luyện: Là phương pháp phổ biến nhất để tách hoàn toàn hổn hợp các cấu tử dẽ bay hơi có tính chất hòa tan một phần hay hoàn toàn vào nhau theo bất kỳ tỉ lệ nào bằng các thiết bị khác nhau như: Tháp đĩa, tháp đệm, tháp chóp, Đối với hổn hợp trên, ta nên dùng thiết bị chưng tháp đệm. Hiện nay tháp đệm được sử dụng rộng rãi bởi có nhiều ưu điểm: Hiệu suất cao vì bề mặt tiếp xúc lớn, giới hạn làm việc tương đối rộng, thiết bị đơn giản gọn nhẹ dễ tháo rời dễ sửa chữa, trở lực không cao nhưng làm việc ổn định và chưng được sản phẩm đòi hỏi có độ tinh khiết cao. Tháp đệm có thể làm việc ở áp suất thường và áp suất chân không, làm việc liên tục hoặc gián đoạn. Cấu tạo, kích thước và loại đệm tùy thuộc vào chế độ làm việc, yêu cầu độ tinh khiết sản phẩm. Tuy nhiên tháp đệm cũng có những mặt hạn chế sau: Khó làm ướt đều đệm. Nếu tháp quá cao thì phân phối chất lỏng không đều. Để khắc phục nhược điểm trên, người ta chia đệm ra nhiều tầng và có đặt thêm đĩa phân phối chất lỏng đối với mỗi một tầng đệm nếu tháp quá cao. II-TÍNH CHẤT HÓA LÝ CỦA AXETON – ETANOL 1-ETANOL: Công thức cấu tạo: C 2 H 5 OH Khối lượng phân tử: M = 46 Nhiệt độ sôi: Ts = 64,7 o C Nhiệt độ nóng chảy: Tnc = -97,8 o C Là một chất lỏng không màu, linh động, có màu đặc trưng. Dễ hút ẩm, tạo hỗn hợp đẳng phí với Axeton, tan vô hạn trong nước. Hoà tan được nhiều hợp chất hữu cơ vá một số hợp chất vô cơ. Là một chất độc, nếu xâm nhập quá khả năng chịu đựng của cơ thể cũng có thể gây mê, lượng lớn hơn có thể gây tử vong. Ứng dụng: • Sản xuất sơn và nhựa: - Dùng methanol trong sản xuất nhựa Urea-formaldehyd và nhựa phenol-formadehyd. Những chất này là nguyên liệu cho ngành công nghiệp carton thô. Methanol được dùng trong lacquer do có độ hoà tan và bay hơi tốt. • Công nghiệp cao su: - Methanol được dùng rộng rãi làm dung môi cho cao su trong sản xuất các sản phẩm khác nhau. • Ngoài ra Methanol được dùng trong - Mực in - Keo dán - Chất chống đông - Dược 2- AXETON: Axeton có công thức phân tử: CH 3 COCH 3 , M=58. Axeton là chất lỏng không màu, nhẹ hơn nước, có tỷ trọng d 20 = 0,792, tan nhiều trong nước do phân tử phân cực, có nhiệt độ sôi t s =56,1 o C, đông đặc ở nhiệt độ 95,5 o C. Phương pháp quan trọng để điều chế Axeton là: oxy hóa rượu iso propanol CH 3 CH(OH)CH 3 CH 3 COCH 3 + H 2 O Về mặt hóa học: Có cấu tạo tương tự anđêhít , axeton tham gia phản ứng cộng H 2 và natrihyđro sun fit (NaHSO 3 ) nhưng không tham gia tráng gương với AgNO 3 và Cu(OH) 2 , tuy nhiên có thể bị oxy hóa và cắt sát nhóm CO để tạo thành 2 axít khi nó phản ứng với chất oxy hóa mạnh. Ứng dụng: Axeton hòa tan tốt trong axetat, nitro xenlulo, nhựa fenol focmanđehit, chất béo, dung môi pha sơn, mực ống đồng. Nó là nguyên liệu để tổng hợp thủy tinh hữu cơ, từ Axeton có thể điều chế xêten sunphuanat (thuốc ngủ) và các halophom. Nhìn chung Axeton và axit axetic có nhiều ứng dụng trong công nghiệp cũng như trong đời sống hằng ngày nên cần thiết phải tách riêng được chúng. III- TỔNG QUAN VỀ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ: Dung dịch đầu được bơm từ thùng chứa 8 lên thùng cao vị 5 nhờ bơm thủy lực rồi chảy vào thiết bị đun nóng 6. Ở đây dung dịch được đun đến nhiệt độ sôi bằng hơi nước bão hòa. Thiết bị đun sôi 6 là thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm, dung dịch sau khi đun sôi sẽ đi vào tháp chưng luyện ở đĩa tiếp liệu. Trong tháp chưng luyện, hơi đi từ dưới lên và gặp chất lỏng đi từ trên xuống. Vì nhiệt độ càng lên cao càng thấp nên khi hơi đi từ dưới lên trên qua các đĩa sẽ làm cấu tử có nhiệt độ sôi cao sẽ bị ngưng tụ lại và cuối cùng trên đỉnh tháp thu được hổn hợp hầu hết cấu tử dễ bay hơi (cấu tử nhẹ). Hơi ra khỏi tháp sẽ qua thiết bị ngưng tụ hoàn toàn 4, lượng lỏng ngưng tụ một phần sẽ được hồi lưu về tháp, phần còn lại sẽ vào thiết bị làm lạnh 3 đễ giảm nhiệt độ rồi chuyển xuống thùng chứa sản phẩm đỉnh 1. Chất lỏng đi từ trên xuống gặp hơi từ dưới lên có nhiệt độ cao nên một phần cấu tử nhẹ sẽ bay hơi. Do đó càng xuống thấp nồng độ cấu tử khó bay hơi càng cao, cuối cùng sản phẩm đáy thu được hầu hết là câú tử nặng. Hổn hợp này thu được ở đáy tháp sau đó cho vào thùng chứa sản phẩm 9. Như vậy tháp đã thực hiện một quá trình chưng tách liên tục hổn hợp 2 cấu tử Axeton - Metanol thành 2 sản phẩm riêng biệt. Axeton có nhiệt độ sôi thấp hơn nên thu hồi ở đỉnh còn Metanol thu hồi ở đáy. SƠ ĐỒ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ (BẢN VẼ KHỔ A3) Chú thích các kí hiệu trong quy trình 1. Thùng chứa nguyên liệu 2. Bơm 3. Thùng cao vị 4, 8 Thiết bị đun sôi. 5. Tháp chưng 6. Thiết bị ngưng tụ 7. Thiết bị làm lạnh. 9. Thùng chứa sản phẩm đáy PHẦN II TÍNH TOÁN THIẾT BỊ A- CÂN BẰNG VẬT LIỆU VÀ NHIỆT LƯỢNG: I- CÂN BẰNG VẬT LIỆU: 1-THÔNG SỐ BAN ĐẦU: GỌI F: lưu lượng hổn hợp đầu kg [...]... 2- ĐƯỜNG KÍNH ĐOẠN CHƯNG: a/ Lưu lượng hơi trung bình đoạn chưng: Được tính gần đúng bằng trung bình cộng của lượng hơi ra khỏi đoạn chưng và lượng hơi đi vào đoạn chưng: ′ g tb = ′ ′ g ′ + g1 g1 + g 1 n = 2 2 Vì lượng hơi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đoạn luyện do đó: g ′ = g 1 = 26247,83 (kg / h) n Lượng hơi đi vào đoạn chưng, lượng lỏng, và hàm lượng hơi trong đoạn chưng được xác định... 1,939 = 2,91 3.2.Phương trình đường làm việc – số mâm lý thuyết[5] 3.2.1.Phương trình đường làm việc của đoạn cất 2,91 0,975 x R x+ = 0, 744 x + 0, 25 x+ D 2,91 + 1 R +1 R + 1 = 2,91 + 1 Y= Y=0,744x + 0,25 3.1.1.Phương trình đường làm việc phần chưng y= L+R L −1 2,929 + 2,91 2,929 − 1 x− xW = x− 0, 02 = 1, 49 x − 0, 01 R +1 R +1 2,91 + 1 2,91 + 1 Y = 1,49x – 0.01 Với: L= F 59,82 = = 2,929 D 20, 42 a-... bình trong đoạn chưng: ′ g tb = ′ g1 + g1 26247,83 + 22443,38 = = 24345,605(kg / h) 2 2 b/ Khối lượng riêng đoạn chưng: Giống như trong đoạn luyện, khối lượng riêng đoạn chưng được tính theo công thức sau: ρ ytb = [ ytb1 M A + (1 − ytb1 )M B ] 273 22,4T t tb = Ta có: (IX-102) t F + tW 59,36 + 64,302 = = 61,83 o C 2 2 T = ttb + 273 = 334,83 o C y tb1 : Hàm lượng hơi trung bình đoạn chưng: y tb1 = y... 1,076   ⇒ lgWS′ = 0,538 ⇒ WS′ = 3,45(m / s) ⇒ Wtb = 0,9 * WS′ = 3,1(m / s ) Như vậy đường kính đoạn chưng sẽ là: D= 4Vtb 4 * 18304 ,96 = = 1,44(m) π 3600Wtb 3,14 * 3600 * 3,1 Ta chọn đường kính đoạn chưng 1,44 (m) Vậy chọn đường kính chung cho tháp là 1,5 (m) II- CHIỀU CAO THÁP CHƯNG LUYỆN: Chiều cao tháp chưng luyện được tính theo công thức IX-50 trang168 sổ tay QT&TBCNHH tậpII H= Nlhtđ + (0.8-1) (m)... đoạn chưng: ∆y m = tg α = d td = ′ Re = ∑ ∆x n = 2,21 4Vd 4 * 0,82 = = 0,09(m) σd 36 Wtb d td ρ y Vd µ y = 3,1 * 0,09 * 1,33 = 1508 0,82 * 0,301 * 10 −3 htd = 0,09 * 8,4(1508) 0.2  6,76     7,197  0.342  752,34     1,33  0.19  0,301   0,335      0.038 7,179 2,21 * 6,76 = 0,79(m) 2,21 * 6,76 1− 7,179 lg Như vậy chiều cao đoạn chưng: H = 4*0,79 = 3,16 (m) Chọn chiều cao đoạn chưng. .. hơi trung bình đoạn chưng: y tb1 = y F + yW 0,3283 + 0,02139 = = 0,1748 2 2 ⇒ ρ ytb = 1,33 (kg/m3) (phần mol) Vây lưu lượng hơi trung bình trong đoạn chưng: Vtb = ′ g tb 24345,605 = = 18304 ,96(m 3 / h) ρ ytb 1,33 c/ Tính vận tốc hơi trung bình trong đoạn chưng: Tương tự trong đoạn luyện ta có: Wtb = 0,9W,S W ′ 2σ ρ S d ytb lg 3  gVd ρ xtb   µx  µ  y     0 ,16  G  = A − 1,75 x G   y... (1) và (2) suy ra: F D W = = xD − xW xF − xW xD − xW Hay ⇒ GD = GF GW GF GD = = a D − aW a F − aW a D − a F aF − aW [ 40 − 2,5] = 1178, 01(kg / h) = 3000 aD − aW 98 − 2,5 Từ (1) suy ra: GW = GF – GD = 3000 – 1178,01=1821,99 (kg/h) Tính nồng độ phần mol dựa vào nồng độ phần khối lượng: ak Mk xk = a Σ ik Mi Thành phần mol trong hổn hợp đầu: aF 0, 4 MA 58 xF = = = 0,346 aF 1 − a F 0, 4 1 − 0, 4 + + MA... định bằng đồ thị trang 171 sổ tay quá trình thiết bị và công nghệ hóa chất tập II Suy ra hiệu suất làm việc của tháp: η= η1 +η2 +η3 72 + 68 + 43 = = 61% 3 3 Số ngăn thực tế đoạn cất (luyện): Nl=15 / 0,61 =24 ngăn Số ngăn đoạn chưng: Nc =5 / 0,61 = 8 ngăn Số ngăn thực tế tháp : N = 24 + 8 = 32 ngăn III-CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG: Mục đích của việc tính toán cân bằng nhiệt lượng là để xác định lượng hơi đốt... lượng lỏng hồi lưu mang vào J/h Qp: Nhiệt lượng do sản phẩm đỉnh mang ra J/h QD2: Nhiệt lượng cần đun nóng sản phẩm đáy J/h QW: Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra J/h Qm2: Nhiệt lượng mất mát trong tháp chưng luyện J/h Qng1, Qng2: Nhiệt do nước ngưng mang ra J/h 1- CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG CỦA THIẾT BỊ ĐUN NÓNG: Phương trình cân bằng nhiệt lượng cho quá trình đun nóng: QD1 + Qf = Qf, + Qm + Qng1 QD1 = D1... tính theo công thức (10-41) cơ sở QT&TBCNHH tập II: 0.2  G y htd = d td * 8.4( R ′e )  G  x     0.342  ρx  ρ  y     0.19  µy  µ  x     0.038 Gx mG y Gy 1− m Gx lg 1/ ĐỐI VỚI ĐOẠN CHƯNG: Ta có: Gy = 24315,605 (kg/h) =6,76 (kg/s) Gx = 25845,605 (kg/h) =7,179 (kg/s) Wtb = 3,1(m/s) 3 ρ x = 752,34(kg / m 3 ) , ρ y = 1,33(kg / m ) µ x = 0,335 *10 −3 ( Ns / m 2 ) µy : Được tính theo công . HỌC CHUYÊN ĐỀ CHƯNG CẤT Họ tên sinh viên: TRẦN NGỌC HIỆP & ĐẶNG THỊ LIÊN Lớp: ĐHHO4TLT 1. Yêu cầu: Tính và thiết kế thiết bị chưng cất làm việc liên tục, dùng để chưng cất hỗn hợp Ethanol – Axetol. 2 KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC    ĐỀ TÀI: CHƯNG CẤT METHANOL – AXETOL GVHD: LÊ NHẤT THỐNG SVTH: TRẦN NGỌC HIỆP ĐẶNG THỊ LIÊN LỚP: ĐHHO4TLT TP.HCM,. trình chưng cất cũng có nhiều phương pháp khác nhau như: chưng đơn giản: dùng để tách các cấu tử có độ bay hơi khác biệt nhau. Nó dùng để tách sơ bộ và làm sạch cấu tử khỏi tạp chất; chưng