THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG CẤT HỆ ACETONE NƯỚC BẰNG THÁP MÂM XUYÊN LỖ NHẬP LIỆU Ở TRẠNG THÁI LỎNG SÔI (Autocad + thuyết minh chi tiết)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG CẤT HỆ ACETO.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

- -ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ

THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG CẤT

HỆ ACETONE- NƯỚC BẰNG THÁP MÂM XUYÊN LỖ NHẬP LIỆU Ở

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN MÔN HỌC MÁY VÀ THIẾT BỊ Giáo viên hướng dẫn: ThS Trần Tấn Đạt

-oOo -Họ và tên sinh viên thực hiện: MSSV

1 Lê Hà Văn 18128076

2 Nguyễn Thị Phương Thảo 18128057

1 Tên đề tài: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG CẤT HỆ ACETONE- NƯỚC BẰNG THÁP MÂM XUYÊN LỖ NHẬP LIỆU Ở TRẠNG THÁI LỎNG SÔI

2 Số liệu ban đầu:

- Năng suất nhập liệu: 3000 kg/h

- Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong nhập liệu: 30% mol

- Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đỉnh: 80% mol

- Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy: tự chọn

3 Nội dung thực hiện:

- Mở đầu

- Chọn và thuyết minh quy trình công nghệ

- Tính cân bằng vật chất và năng lượng

- Tính toán công nghệ thiết bị chính

- Tính toán kết cấu thiết bị chính

TRƯỞNG BỘ MÔN Tp Hồ Chí Minh, ngày 14 tháng 8 năm 2021 Giảng viên hướng dẫn

ThS Trần Tấn Đạt

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC – THỰC PHẨM

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

-PHIẾU ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪNMÔN HỌC: ĐỒ THIẾT KẾ MÁY THIẾT BỊ - HỌC KỲ 2 – NĂM HỌC 2020 –

2021

MÃ MÔN HỌC: PWPD322703

1 GVHD: ThS Trần Tấn Đạt

2 Sinh viên: Lê Hà Văn 3 MSSV: 18128076

4 Tên đề tài: Thiết kế hệ thống chưng cất hệ Acetone- Nước bằng tháp mâm xuyên lỗ nhập liệu ở trạng thái lỏng sôi

5 Kết quả đánh giá

điểm

Điểm số

1 Xác định được đối tượng và yêu cầu thiết kế 0 – 1,0 1

2 Lập qui trình công nghệ và tính toán được các chi tiết thiết

bị

0 – 2,5 2,0

3 Đánh giá được sự phù hợp, điểm mạnh, yếu của thiết kế 0 – 0,75 0,5

4 Lập được kế hoạch triển khai thực hiện thiết kế 0 – 0,75 0,5

5 Lập được bản vẽ với phần mềm chuyên dụng 0 – 2,5 2,5

6 Hoàn thành thuyết minh thiết kế đầy đủ, chính xác và logic 0 – 1,0 1,0

7 Hoàn thành trách nhiệm cá nhân trong nhóm 0 – 0,75 0,75

8 Thực hiện đúng kế hoạch công việc được GV giao 0 – 0,75 0,5

TỔNG ĐIỂM (Bằng chữ: Tám phẩy bảy răm) 10 8,75

Ghi chú: GV HƯỚNG DẪN cho điểm lẻ tới 0,25 điểm

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC – THỰC PHẨM

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

-PHIẾU ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪNMÔN HỌC: ĐỒ THIẾT KẾ MÁY THIẾT BỊ - HỌC KỲ 2 – NĂM HỌC 2020 –

2021

MÃ MÔN HỌC: PWPD322703

1 GVHD: ThS Trần Tấn Đạt

ii

2 Sinh viên: Nguyễn Thị Phương Thảo 3 MSSV: 18128057

4 Tên đề tài: Thiết kế hệ th ống chưng cất hệ Acetone- Nước bằng tháp mâm xuyên lỗ nhập liệu ở trạng thái lỏng sôi

5 Kết quả đánh giá

điểm

Điểm số

1 Xác định được đối tượng và yêu cầu thiết kế 0 – 1,0 1

2 Lập qui trình công nghệ và tính toán được các chi tiết thiết

bị

0 – 2,5 2,0

3 Đánh giá được sự phù hợp, điểm mạnh, yếu của thiết kế 0 – 0,75 0,5

4 Lập được kế hoạch triển khai thực hiện thiết kế 0 – 0,75 0,5

5 Lập được bản vẽ với phần mềm chuyên dụng 0 – 2,5 2,5

6 Hoàn thành thuyết minh thiết kế đầy đủ, chính xác và logic 0 – 1,0 1,0

7 Hoàn thành trách nhiệm cá nhân trong nhóm 0 – 0,75 0,75

8 Thực hiện đúng kế hoạch công việc được GV giao 0 – 0,75 0,5

TỔNG ĐIỂM (Bằng chữ: Tám phẩy bảy răm) 10 8,75

Ghi chú: GV HƯỚNG DẪN cho điểm lẻ tới 0,25 điểm

6 Các nhận xét khác (nếu có)

7 Kết luận

Được phép bảo vệ :  Không được phép bảo vệ :  Ngày 14 tháng 08 năm 2021

Người nhận xét

(Ký & ghi rõ họ tên)

Th.S Trần Tấn Đạt

iii

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC – THỰC PHẨM

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

2 Sinh viên: Lê Hà Văn 3 MSSV: 18128076

4 Tên đề tài: Thiết kế hệ thống chưng cất hệ Acetone- Nước bằng tháp mâm xuyên lỗ nhập liệu ở trạng thái lỏng sôi

5 Kết quả đánh giá:

điểm

Điểm số

iv

1 Lập qui trình công nghệ và tính toán được các chi tiết thiết bị 0 – 2,5

2 Lập được bản vẽ với phần mềm chuyên dụng 0 – 2,5

3 Hoàn thành thuyết minh thiết kế đầy đủ, chính xác và logic 0 – 1,0

4 Trình bày được những nội dung cốt lõi của đồ án 0 – 1,0

5 Trả lời được các câu hỏi phản biện 0 – 3,0

TỔNG ĐIỂM (Bằng chữ:

……….)

10 Ghi chú: GV HƯỚNG DẪN cho điểm lẻ tới 0,25 điểm 6 Các nhận xét khác (nếu có)

Ngày …… tháng 08 năm 2021 Người phản biện

( Ký & ghi rõ họ tên) TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC – THỰC PHẨM BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

-PHIẾU ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN MÔN HỌC: ĐỒ THIẾT KẾ MÁY THIẾT BỊ - HỌC KỲ 2 – NĂM HỌC 2020 – 2021 MÃ MÔN HỌC: PWPD322703 1 GVPB:

2 Sinh viên: Nguyễn Thị Phương Thảo 3 MSSV: 18128057

4 Tên đề tài: Thiết kế hệ thống chưng cất hệ Acetone- Nước bằng tháp mâm xuyên lỗ nhập liệu ở trạng thái lỏng sôi

5 Kết quả đánh giá:

điểm

Điểm số

1 Lập qui trình công nghệ và tính toán được các chi tiết thiết bị 0 – 2,5

2 Lập được bản vẽ với phần mềm chuyên dụng 0 – 2,5

3 Hoàn thành thuyết minh thiết kế đầy đủ, chính xác và logic 0 – 1,0

v

4 Trình bày được những nội dung cốt lõi của đồ án 0 – 1,0

5 Trả lời được các câu hỏi phản biện 0 – 3,0

TỔNG ĐIỂM (Bằng chữ:

……….)

10 Ghi chú: GV HƯỚNG DẪN cho điểm lẻ tới 0,25 điểm 6 Các nhận xét khác (nếu có)

Ngày …… tháng 08 năm 2021 Người phản biện

( Ký & ghi rõ họ tên)

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành được đồ án này không chỉ là nỗ lực của bản thân, bên cạnh đó còn có

sự giúp đỡ rất nhiệt tình của cách thầy cô, bạn bè và gia đình Với tình cảm chân thành cho chúng em được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các cá nhân, tổ chức đã tạo điều kiện cho chúng em học tập và nghiên cứu đề tài

Trước tiên chúng em xin cảm ơn quý thầy, cô trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM, khoa Công Nghệ Kỹ Thuật Hóa và Thực Phẩm và Thầy Th.S Trần Tấn Đạt giảng viên trường Đại học Bách Khoa TP.HCM đã truyền đạt, chỉ bảo tận tình để chúng em có thể thực hiện được đồ án này

Đặc biệt chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Trần Tấn Đạt đã quan tâm, hướng dẫn giúp đỡ chúng em trong suốt thời gian qua để hoàn thành đồ án này

vi

Cảm ơn các thầy, cô trong hội đồng chấm đồ án, và hội đồng phản biện đã bỏ thời gianquý báu để có thể góp ý, và nhận xét giúp chúng em hoàn thiện hơn đồ án của mình.Mặc dù đã rất cố gắng tuy nhiên không thể tránh khỏi những sai sót trong quá trìnhhoàn thiện Chúng em rất mong nhận được những ý kiến góp ý, nhận xét từ thầy đểchúng em củng cố kiến thức và hoàn thiện tốt hơn đồ án này.

vii

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Khái niệm 1

1.1.1 Chưng cất là gì? 1

1.1.2 Nguyên tắc của quá trình chưng cất 1

1.2 Các phương pháp chưng cất: 2

1.3 Thông số vật liệu 3

1.3.1 Acetone 3

1.3.2 Nước 6

1.4 Các thiết bị chưng cất 7

1.5 Sơ đồ quy trình công nghệ và thuyết minh quy trình công nghệ 8

1.5.1 Sơ đồ quy trình công nghệ 8

1.5.2 Thuyết minh quy trình công nghệ 8

CHƯƠNG 2 TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT 10

2.1 Cân bằng vật chất 10

2.1.1 Các thông số ban đầu 10

2.1.2 Các ký hiệu 10

2.1.3 Xác định suất lượng nhập liệu và sản phẩm đáy 10

2.2 Xác định chỉ số hồi lưu 12

2.2.1 Đồ thị cân bằng Acetone- Nước 12

2.2.2 Xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu 13

2.3 Phương trình làm việc 15

2.4 Xác định số mâm lý thuyết và thực tế 15

2.4.1 Xác định số mâm lý thuyết 15

2.4.2 Xác định số mâm thực tế 16

CHƯƠNG 3 CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG 19

3.1 Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng cất 19

3.2 Cân bằng năng lượng các thiết bị truyền nhiệt 22

3.2.1 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ 22

3.2.2 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh 22

3.2.3 Cân bằng nhiệt lượng đun sôi dòng nhập liệu 23

viii

CHƯƠNG 4 TÍNH THIẾT BỊ CHÍNH 27

4.1 Đường kính tháp (Dt) 27

4.1.1 Đường kính đoạn cất 27

4.1.2 Đường kính đoạn chưng 30

4.2 Chiều cao tháp 33

4.2.1 Chiều cao thân tháp 33

4.2.2 Chiều cao đáy (nắp) 33

4.3 Trở lực của tháp 34

4.3.1 Trở lực của đĩa khô 34

4.3.2 Trở lực do sức căng bề mặt: 35

4.3.3 Trở lực thủy tĩnh do chất lỏng trên đĩa tạo ra: 36

4.3.4 Tổng trở lực thuỷ lực của tháp: 38

4.3.5 Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động: 38

4.3.6 Kiểm tra tính đồng nhất của hoạt động của mâm 40

4.4 Tính toán cơ khí của tháp: 40

4.4.1 Bề dày thân tháp: 40

4.4.2 Bề dày đáy và nắp thiết bị: 42

4.4.3 Bể dày mâm: 43

4.4.4 Bích ghép thân, đáy và nắp: 46

4.4.5 Đường kính các ống dẫn – Bích ghép các ống dẫn: 47

4.4.6 Chân đỡ: 53

CHƯƠNG 5 CÁC THIẾT BỊ PHỤ 58

5.1 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 58

5.1.1 Xác định hệ số truyền nhiệt 59

5.1.2 Xác định bề mặt truyền nhiệt và cấu tạo của thiết bị 63

5.2 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 64

5.2.1 Xác định hệ số truyền nhiệt 65

5.2.2 Xác định bề mặt truyền nhiệt và cấu tạo thiết bị 69

5.3 Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy 70

5.3.1 Xác định hệ số truyền nhiệt 71

5.3.2 Xác định bề mặt truyền nhiệt và cấu tạo thiết bị 74

5.4 Thiết bị gia nhiệt nhập liệu 75

ix

5.4.1 Xác định hệ số truyền nhiệt 76

5.4.2 Xác định bề mặt truyền nhiệt và cấu tạo thiết bị 80

5.5 Bồn cao vị 80

5.5.1 Tổn thất đường ống dẫn 80

5.5.2 Đoạn ống dẫn đoạn qua thiết bị đun sôi nhập liệu 83

5.5.3 Chiều cao bồn cao vị 85

5.6 Bơm 87

5.6.1 Năng suất 87

5.6.2 Cột áp 87

5.6.3 Công suất 91

LỜI KẾT 95

TÀI LIỆU THAM KHẢO 96

x

MỤC LỤC BẢ

Bảng 1 1 Ưu nhược điểm của thiết bị chưng cất 6Y

Bảng 2 1 Tóm tắt các số liệu tính toán cân bằng vật chất 11

Bảng 2 2 Số liệu cân bằng lỏng hơi của hệ Acetone – nước 1 Bảng 3 1 Các giá trị các nhiệt lượng cần tính 22

Bảng 3 2 Tổng kết các giá trị cần xác định Chương 3

Bảng 4 1 Thông số bích ghép thân và đáy, nắp 41

Bảng 4 2 Thông số bích ghép ống nhập liệu 43

Bảng 4 3 Thông số bích ghép ống dẫn hơi đỉnh tháp 44

Bảng 4 4 Thông số bích ghép ống hoàn lưu 45

Bảng 4 5 Thông số bích ghép ống dẫn hơi vào đáy tháp 46

Bảng 4 6 Thông số bích ghép ống dẫn chất lỏng ở đáy tháp 47

Bảng 4 7 Thông số bích ghép ống dẫn chất lỏng từ nồi đun sản phẩm đáy 48

Bảng 4 8 Các kích thước của chân đỡ 49

Bảng 4 9 Các kích thước của tay treo 50

Bảng 4 10 Tổng kết các giá trị cần xác định Chương 4 51

YBảng 5 1 Tổng kết các giá trị cần xác định Chương 5 79

xi

MỤC LỤC HÌNH Ả

Hình 2 1 Đồ thị cân bằng x-y hệ Acetone - nước 13

Hình 2 2 Xác định hệ số hoàn lưu tối thiểu theo phương pháp vẽ tiếp tuyến 14

Hình 2 3 Đồ thị thể hiện số mâm lý thuyết 15Y Hình 4 1 Gờ chảy tràn 36

Hình 4 2 Bề dày đáy, nắp thiết bị 42

Hình 4 3 Bích ghép thân và đáy, nắp 46

Hình 4 4 Bích ghép các ống dẫn 47

Hình 4 5 Chân đỡ 54

Hình 4 6 Tay treo 55

xii

Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tủ và thường thì hệ có bao nhiêu cấu tử sẽ thuđược bấy nhiêu sản phẩm Nếu xét hệ đơn giản chỉ có 2 cấu tử thì ta thu được 2 sảnphẩm:

Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần rất ít các cấu tử có

độ bay hơi bé

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

Bản chất của chưng cất chính là dựa vào nhiệt độ sôi hay nhiệt độ bay hơi khác nhau

để tách các cấu tử bằng cách lặp đi lặp lại nhiều lần quá trình bay hơi và ngưng tụ Chưng cất có khá nhiều ứng dụng như:

-Làm sạch các tạp chất như các chất keo, nhựa bẩn, … trong quá trình sản xuất rượuhoặc chưng cất tinh dầu

-Thu các sản phẩm từ quá trình như chưng cất rượu, chưng cất cồn và chưng cất tinhdầu, …

-Nâng cao chất lượng của sản phẩm vì qua quá trình chưng cất sẽ đem đến sản phẩm

có độ tinh khiết cao hơn

xiii

2.1.2 Nguyên tắc của quá trình chưng cất

Tính đặc biệt của chưng cất chính là dùng năng lượng như là phương tiện trợ giúp đểtách Năng lượng có một ưu thế lớn đó là có thể dễ dàng đưa vào và lấy ra khỏi một hệthống Các nguyên tắc của quá trình chưng cất như sau:

Lặp lại bước tách hỗn hợp

Nồng độ của chất cần phải tách có thể được tiếp tục nâng cao bằng cách tiếp tục chưngcất lại phần cất Nhiệt độ sôi khác nhau càng lớn thì người ta cần càng ít lần chưng cất

để đạt đến một nồng độ nhất định

Chưng cất phân đoạn

Chưng cất phân đoạn là một trong những phương pháp kinh điển dùng để tách các chấtbay hơi ra khỏi một hỗn hợp dựa vào sự khác biệt nhiệt độ sôi của các chất trong hỗnhợp

Chưng cất lôi cuốn

Phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước dựa trên sự khuếch tán và lôi cuốn theo hơinước của những hợp chất hữu cơ trong tinh dầu khi tiếp xúc với hơi nước ở nhiệt độcao Sự khuếch tán sẽ dễ dàng khi tế bào chứa tinh dầu trương phồng do nguyên liệutiếp xúc với hơi nước bão hòa trong một thời gian nhất định

2.2 Các phương pháp chưng cất:

*Phân loại theo áp suất làm việc

xiv

-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 đa cấu tử

*Phân loại theo phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp

-Cấp nhiệt trực tiếp

-Cáp nhiệt gián tiếp

Vậy đối với hệ Acetone- Nước, ta nên chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp nhiệtgián tiếp, ở áp suất thường

2.3 Thông số vật liệu

Nguyên liệu là hỗn hợp acetone-nước

2.3.1 Acetone

2.3.1.1 Khái niệm

Acetone có công thức phân tử: CH3COCH3 Khối lượng phân tử bằng 58.079 đvC

Là một chất lỏng không màu, dễ lưu động và dễ cháy, với một cách êm dịu và có mùithơm

Nó hòa tan vô hạn trong nước và một số hợp chất hữu cơ như: eter, metanol, etanol,diacetone alcohol…

Một số thông số vật lý và nhiệt động của Acetone :

-Nhiệt độ nóng chảy : -94.60C;

xv

-Nhiệt độ sôi : 56.90C;

-Tỷ trọng : d20

4

;-Nhiệt dung riêng Cp : 22 Kcal/mol (chuẩn ở 102 0C)

Từ Acetone có thể tổng hợp ceten, sumfonat (thuốc ngủ), các holofom

OH O

CH3-CO-CH3+HCH2C=O  CH3-C-CH3-C-CH3 (4-oxy-4-mêtyll-2-pentanon)

xvi

Oxy hóa rượu bậc hai:

CH3CHOH-CH3  CH3COCH3 + H2O

Theo phương pháp Piria: nhiệt phân muối canxi của axit cacboxylic:

(CH3COO)2Ca  CH3COCH3 + CaCO3

Từ dẫn xuất cơ magiê:

O O

CH3-C-Cl + CH3-MgBr  CH3-C-CH3 + Mg-Br

Cl

Ngoài ra, còn một số qúa trình sản xuất Acetone khác:

-Oxi hóa Cumene Hydro Peroxide thành Phenol và Acetone

-Oxi hóa trực tiếp Butan – Propan

-Lên men Carbo hydrate bởi vi khuẩn đặc biệt

-Công ty Shell sử dụng nó như một sản phẩm phụ

Tổng hợp Acetone bằng cách Dehydro Isopropyl Alcol có xúc tác:

xvii

CH3CHOHCH3 + 15.9 Kcal (ở 3270C) ⃗xuctac CH3COCH3 + H2

-Xúc tác sử dụng ở đây: đồng và hợp kim của nó, oxit kim loại và muối

-Ở nhiệt độ khoảng 3250C, hiệu suất khoảng 97%

-Dòng khí nóng sau phản ứng gồm có: Acetone, lượng Isopropyl Alcol chưa phản ứng,H2 và một phần nhỏ sản phẩm phụ (như Propylene, diisopropyl eter …) Hỗn hợp nàyđược làm lạnh và khí không ngưng được lọc bởi nước Dung dịch lỏng được đem đichưng cất phân đoạn, thu được Acetone ở đỉnh và hỗn hợp của nước, Isopropyl Alcol(ít) ở đáy

2.3.2 Nước

Nước là một hợp chất hóa học của oxy và hidro, có công thức hóa học là H2O Vớicác tính chất lý hóa đặc biệt (ví dụ như tính lưỡng cực, liên kết hiđrô và tính bấtthường của khối lượng riêng), nước là một chất rất quan trọng trong nhiều ngành khoahọc và trong đời sống 70% diện tích bề mặt của Trái Đất được nước che phủ nhưngchỉ 0,3% tổng lượng nước trên Trái Đất nằm trong các nguồn có thể khai thác dùnglàm nước uống

Khi hóa rắn nó có thể tồn tại ở 5 dạng tinh thể khác nhau:

-Khối lượng phân tử: 18 g/mol

-Khối lượng riêng; 1 g/mol

-Nhiệt độ nóng chảy: 0oC

-Nhiệt độ sôi: 100oC

xviii

2.4 Các thiết bị chưng cất

Bảng 1 1 Ưu nhược điểm của thiết bị chưng cất

Tháp chêm Tháp mâm xuyên lỗ Tháp mâm chóp

Khá ổn địnhHiệu suất cao

Nhược

điễm

Do có hiệu ứng thànhnên hiệu sất truyềnkhối thấp

Độ ổn định thấp, khóvận hành

Khó tăng năng suấtThiết bị khá nặng nề

Không làm việc đượcvới chất lỏng bẩn

Kết cấu khá phức tạp

Có trở lực lớnTiêu tốn nhiều vật

tư, kết cấu phứctạp

Quy trình chưng cất được thực hiện dựa vào nhiểu loại tháp có cấu tạo khác nhau, tuynhiên tuỳ vào mục đích, hiệu suất chưng cất và điều kiện không gian cũng như điềukiện kinh tế mà ta lựa chọn tháp chưng cất phù hợp Qua quá trình nghiên cứu, thì tôithấy tháp mâm xuyên lỗ phù hợp với hệ acetone – nước này Tháp mâm xuyên lỗ cónhững ưu điểm sau:

-Chế tạo đơn giản

-Vệ sinh dễ dàng

-Trở lực tháp hơn tháp chóp

-Ít tốn kim loại hơn tháp chóp

xix

Do sản phẩm là acetone với yêu cầu độ tinh khiết cao khi sử dụng cùng với hỗn hợpacetone – nước là hỗn hợp không có điểm đẳng phí nên chọn phương pháp chưng cấtlien tục là hiệu quả nhất.

2.5 Sơ đồ quy trình công nghệ và thuyết minh quy trình công nghệ

2.5.1 Sơ đồ quy trình công nghệ

(Có kèm file đính kèm)

2.5.2 Thuyết minh quy trình công nghệ

Hỗn hợp Acetone- Nước có nồng độ Acetone 30% ( theo mol) , nhiệt độ khoảng 30OCtại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3) Từ đó được đưađến thiết bị gia nhiệt (3) bằng hơi nước bão hòa Ở đây, hỗn hợp được đun sôi đếnnhiệt độ sôi Sau đó, hỗn hợp được đưa qua lưu lượng kế (6) vào tháp chưng cất (8) ởđĩa 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 vàtrao đổi giữa hai pha với nhau Pha lỏng chuyển động trong phần chưng càng xuốngdưới càng giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi tạo nên từ thiết bị đunsôi sản phẩm đáy (11) 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 tụlại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử Acetone chiếm nhiều nhất(có nồng độ 90% theo khối lượng) Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh (9)

và được ngưng tụ một phần (chỉ ngưng tụ hồi lưu) Một phần chất lỏng ngưng đi quathiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (15), được làm nguội đến 30OC, rồi được đưa quabồn chứa sản phẩm đỉnh Phần còn lại của chất lỏng ngưng được hồi lưu về tháp ở đĩatrên cùng với tỷ số hoàn lưu tối ưu Một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp được bốc hơi,còn lại cấu tử có nhiệt độ sôi cao trong chất lỏng ngày càng tăng Cuối cùng, ở đáytháp ta thu được hỗn hợp lỏng gồm hầu hết là cấu tử khó bay hơi (nước) Hỗn hợp lỏng

ở đáy có nồng độ Acetone là 3% theo khối lượng, còn lại là nước Dung dịch lỏng ởđáy đi ra khỏi tháp, một phần dược đun, bốc hơi ở thiết bị đun sôi phẩm đáy (11) cung

xx

cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại được làm nguội đến 30OC bằng thiết

bị làm nguội sản phẩm đáy (12)

Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là Acetone, sản phẩm đáy sau khi traođổi nhiệt với nhập liệu được thải bỏ

xxi

CHƯƠNG 3 TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT

3.1 Cân bằng vật chất

3.1.1 Các thông số ban đầu

Năng suất nhập liệu: 3000 kg/h

Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong nhập liệu: 30% mol

Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đỉnh: 90% mol

Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy: 3% mol

Acetone: CH3COCH3, MR = 58,079 (g/mol)

W: lượng sản phẩm đáy ( Kmol/h )

x F: nồng độ mol Acetone trong nhập liệu

x D:nồng độ mol Acetone trong sản phẩm đỉnh

x W: nồng độ mol Acetone trong sản phẩm đáy

Trong tính toán chưng cất người ta thường dùng các đại lượng mol vì rằng nhiệt hóahơi của các chất lỏng tính theo mol không khác nhau mấy

3.1.3 Xác định suất lượng nhập liệu và sản phẩm đáy

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

F = D + W (1)

xxii

xxiii

x D= M R x D

M R x D+(1−x D) M N=

58.0,958.0,9+(1−0,9 ).18=0,967 %kl

´

x W= M R x W

M R x W+(1−x W) M N=

58.0,0358.0,03+(1−0,03).18=0,091%kl

Bảng 2 1 Tóm tắt các số liệu tính toán cân bằng vật chất

Thôngsố

Dòng (1)

Năng suấtnguyên liệu(kg/h)(2)=(5)x(4)

Nồng độ x(%mọl)(3)

Phân tửlượngtrung bìnhMtb(kg/kmol)(4)

Năng suất(kmol/h)(5)

% khốilượng(6)

3.2 Xác định chỉ số hồi lưu

3.2.1 Đồ thị cân bằng Acetone- Nước

Thành phần cân bằng lỏng (x), hơi (y) tính bằng %mol và nhiệt độ sôi của hỗn hợp haicấu tử ở 760 mmHg ( Acetone – nước ):

Bảng 2 2 Số liệu cân bằng lỏng hơi của hệ Acetone – nước

xxiv

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0

Hình 2 1 Đồ thị cân bằng x-y hệ Acetone - nước

3.2.2 Xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu

Tỉ số hoàn lưu tối thiểu là chế độ làm việc mà tại đó ứng với số mâm lý thuyết là vôcực Do đó, chi phí cố định là vô cực nhưng chi phí điều hành (nhiên liệu, nước vàbơm…) là tối thiểu Khi R tăng, số mâm sẽ giảm nhưng đường kính tháp, thiết bịngưng tụ, nồi đun và công để bơm cũng tăng theo Chi phí cố định sẽ giảm dần đếncực tiểu rồi tăng đến vô cực khi hoàn lưu toàn phần, lượng nhiệt và lượng nước sửdụng cũng tăng theo tỉ số hoàn lưu Tổng chi phí bao gồm: chi phí cố định và chi phíđiều hành Tỉ số hoàn lưu thích hợp ứng với tổng chi phí là cực tiểu Do đường cânbằng có khoảng lõm nên ta kiểm tra như sau Nếu vẽ như bình thường để xác địnhRmin ta xác định được như sau:

xxv

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0

Hình 2 2 Xác định hệ số hoàn lưu tối thiểu theo phương pháp

vẽ tiếp tuyến

Trên giản đồ xy, đường làm việc phần cất DF đi qua giao điểm của đường nhập liệuđường cân bằng (không vượt qua đường cân bằng) sẽ ứng vứi tỉ số hoàn lưu tối thiểu.Cách xác định với các dạng đường cân bằng cho thấy trên hình 4 Khi nhập liệu ỗtrạng thái lỏng sôi, có thế được xác định theo biểu thức:

Chỉ số hoàn lưu thích hợp được xác định theo công thức sau:

R = 1,3Rmin + 0,3

⇒R = 1,3.0,122 + 0,3 = 0,459

xxvi

3.3 Phương trình làm việc

Phương trình đường làm việc làm cất:

3.4 Xác định số mâm lý thuyết và thực tế

3.4.1 Xác định số mâm lý thuyết

Ta dựa vào đồ thị sau để xác định số mâm lý thuyết:

0 0.1

Hình 2 3 Đồ thị thể hiện số mâm lý thuyết

xxvii

Từ đồ thị ta thu được 2 mâm {1mâm chưng 3 mâm cất

3.4.2 Xác định số mâm thực tế

-Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình:

Với: x: phần mol của rượu trong pha lỏng

y*: phần mol của rượu trong pha hơi

μ Acetone=0,238.10−3

(N s

m2)=0,238 (cP)

xxviii

- Tại vị trí mâm đáy:

Ta có: xW = 0,03 ta tra đồ thị cân bằng của hệ: y W¿ =0,03,tW=86,080C

xxix

CHƯƠNG 4 CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG

4.1 Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng cất

Phương trình cân bằng năng lượng:

QF + QD2+ QR = Qy + Qw + Qxq2+ Qng2

Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào QF (J/h):

QF = F C t F F

F= F MtbF =100 30= 3000 (Kg/h)

tF = 62,6 oC: nhiệt độ đi vào của hỗn hợp đầu ( ở trạng thái lỏng sôi )

CF: nhiệt dung riêng (tra bảng I.153 trang 172 [ CITATION GST99 \l 1033 ])

tF = 62,6 oC  Cnước = 4190 (J/Kg,độ ), Cacetone = 2313,45 (J/Kg.độ)

CF = x C F acetone + ( 1- x ).C F nước

= 0,58 2313,45+ (1- 0,58) 4190 = 3101,601 (J/Kg.độ )

 QF =3000 3101,601 62,6 = 582480667,8(J/h)

Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp QD2 (J/h):

QD2= D2 hơi = D2 (rhơi + Chơi thơi)Dùng hơi nước ở áp suất 2at , rhơi = 2208,12 (Kj/Kg), thơi= 119,6 oC,

Chơi= 2710,44 (J/Kg.độ) (tra bảng I.250 trang 312 [ CITATION GST99 \l 1033 ])

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

rhơi : ẩn nhiệt hóa hơi ( J/Kg)

xxxi

thơi , Chơi : nhiệt độ oC và nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/Kg.độ)

Nhiệt lượng do lưu lượng lỏng hồi lưu mang vào :

QR = GR CR tR

CR = CD :nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh :

tD = 57,5 oC  Cnước = 4188,125 ( J/Kg.độ), C acetone = 2296,875 (J/Kg.độ ) (tra ở bảng I.153 trang 172, [ CITATION GST99 \l 1033 ])

Với x D = 0.967 (phần khối lượng)

acetone, nước :: nhiệt lượng riêng của acetone, nước :

acetone = racetone + tD Cacetone

nước = rnước + tD Cnước

rnước, racetone, Cacetone , C nước (tra ở bảng I.212 và bảng I.153, [1]) ở tD=57,50

xxxii

Qng2 = Gng2 Chơi thơi

Ta lấy sản phẩm là hơi lỏng sôi (không lấy hơi lỏng nguội)-> Qng2=0

Vậy lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi dung dịch ở đáy tháp :

D2 =Q y+Q w+Q λ xq 2−Q F−Q R

2 = Q W+Q 0,95 r y−Q F−Q R

1 = 1533175293

0,95.2208,12.103= 730,879 (Kg/h)Vậy nhiệt lượng do hơi đốt mang vào thápQD2=238541908,3 (J/h)

4.2 Cân bằng năng lượng các thiết bị truyền nhiệt

4.2.1 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ

Phương trình cân bằng năng lượng:

Suy ra lượng nước lạnh cần tiêu tốn Gn1 = 34182,398 (Kg/h) = 9,499 (kg/s)

4.2.2 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh

Phương trình cân bằng năng lượng:

xxxiv

D C D (t } rsub {1} - {t 2)=G n 2 C n(t2−t1)

Nhiệt độ vào của sản phẩm đỉnh t } rsub {1¿=57,5 0C

Nhiệt độ ra của sản phẩm đỉnh t } rsub {2¿ = 400C

Nước làm nguội có nhiệt độ vào, ra là:t1 = 30 0C, t2 = 40 0C

Nhiệt độ trung bình của nước làm lạnh ttb = (t1+t2)

2 =

30+ 40

2 = 35 0CNhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ ttb là Cn = 4178 (J/Kg.độ)

Nhiệt độ trung bình của sản phẩm đỉnh:

t'tb ¿57,5+40

2 = 48,75 0C Tra bảng I.153 trang 172 và I.249 trang 310, [1], ta có:

 Cacetone =2268,438 (J/Kg,độ)

Cnước =4178 (J/Kg.độ)

 CD =2331,454 (J/Kg.độ)

Qll= 68378285,82 (J/h)

Suy ra lượng nước cần dùng: Gn2 =1636,545 (Kg/h)

4.2.3 Cân bằng nhiệt lượng đun sôi dòng nhập liệu

Qf + QD1 = QF + Qxq1+ Qng1 , J/h (IX.149 trang 196 [2])

Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào QD1: QD1= D1 1 = D1 (r1 + C1 t1) , J/hNhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào Qf: Qf = F´ Cf tf , J/h

Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra QF: QF = F´ CF tF , J/h

Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra Qng1 : Qng1 = Gnl1 C1 t1=D1C1t1 , J/hNhiệt lượng mất ra môi trường xung quanh lấy bằng 5% nhiệt tiêu tốn:

xxxv

Bảng 3 1 Giá trị các nhiệt lượng cần tính

Bảng 3 2 Tổng kết các giá trị cần xác định Chương 3

Nhiệt lượng do lưu lượng

lỏng hồi lưu mang vào QR = GR CR tR QR = 104350217,1 (J/h)

Nhiệt lượng do hơi mang

ra ở đỉnh tháp Qy

Qy = D.( 1+ R).D Qy= 1759832060 (J/h)

Nhiệt lượng do sản phẩm

đáy mang ra Qw Qw= W C t .w w Qw = 460174118,1 ( J/h)Nhiệt lượng tổn thất ra

môi trường xung quanh

Cân bằng nhiệt lượng của