Thiết kế hệ thống chưng cất hệ metanol– etanol 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 METHA.

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 METHANOL-ETHANOL BẰNG THÁP MÂM XUYÊN LỖ NHẬP LIỆU Ở

TRẠNG THÁI LỎNG SÔI

SVTH: 1 Nguyễn Trát Đình Vỹ MSSV: 18128080

2 Trần Công Chánh MSSV: 18128005 GVHD: Ths.Trần Tấn Đạt

Tp Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2020

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

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

-oOo -NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN MÔN HỌC MÁY VÀ THIẾT BỊ

Giáo viên hướng dẫn: ThS.Trần Tấn Đạt

Họ và tên sinh viên thực hiện: MSSV

1 Nguyễn Trát Đình Vỹ 18128080

2 Trần Công Chánh 18128005

1 Tên đề tài: Thiết kế hệ thống chưng cất hệ metanol– etanol bằng tháp mâm xuyên

lỗ nhập liệu ở trạng thái lỏng sôi.

2 Số liệu ban đầu:

- Năng suất nhập liệu: 1500 kg/h

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

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

- Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy: 5% kl

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

- Tính và chọn thiết bị phụ

- Kết luận

- Tài liệu tham khảo

- Phụ lục (nếu có)

4 Bản vẽ:

- Bản vẽ sơ đồ quy trình công nghệ (1- khổ giấy A1, 1- khổ giấy A3)

- Bản vẽ thiết bị chính (1- khổ giấy A1, 1- khổ giấy A3)

5 Ngày giao nhiệm vụ: 09/03/2021

TRƯỞNG BỘ MÔN Tp Hồ Chí Minh, ngày 14 tháng 08 năm 2021

Giảng viên hướng dẫn

Th.S Trần Tấn Đạt

6 Ngày nộp đồ án: 14/08/2021

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: Trần Tấn Đạt

2 Sinh viên: Trần Công Chánh 3 MSSV: 18128005

4 Tên đề tài: Thiết kế hệ thống chưng cất hệ methanol-ethanol bằng tháp mâm xuyên

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 0,75

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

6 Các nhận xét khác (nếu có)

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 DẪN

MÃ MÔN HỌC: PWPD322703

1 GVHD: Trần Tấn Đạt

2 Sinh viên: Nguyễn Trát Đình Vỹ 3 MSSV: 18128080

4 Tên đề tài: Thiết kế hệ thống chưng cất hệ methanol-ethanol bằng tháp mâm xuyên

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 0,75

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

6 Các nhận xét khác (nếu có)

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 BIỆNMÔN HỌC: ĐỒ THIẾT KẾ MÁY THIẾT BỊ - HỌC KỲ 2 – NĂM HỌC 2020 – 2021

MÃ MÔN HỌC: PWPD322703

1 GVPB:

2 Sinh viên: Nguyễn Trát Đình Vỹ 3 MSSV: 18128080

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

5 Kết quả đánh giá STT Nội dung Thang 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 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: Trần Công Chánh 3 MSSV: 18128005

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

5 Kết quả đánh giá STT Nội dung Thang 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 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)

Bên cạnh đó chúng em cũng chân thành cảm ơn tất cả quý thầy cô trong Bộ môn Côngnghệ Hóa học, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật, chúng em biết rằng kiến thức không

tự nhiên mà có được, đó là nhờ vào sự dạy dỗ tận tâm của các thầy cô trong Bộ môn

đã từng ngày hướng dẫn tụi em, để chúng em có nền tảng kiến thức vững chắc để hoànthành đồ án môn học

Chúng em cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến giảng viên phản biện đồ án của nhómchúng em, chân thành cảm ơn quý thầy/cô đã dành thời gian xem xét và chỉ dẫn chúng

em các thiếu sót trong đồ án môn học

Đây là lần đầu tiên chúng em được tiếp xúc và thực hành đồ án môn học, còn xảy rarất nhiều thiếu sót, kính mong quý thầy/cô có thể chỉ dạy thêm cho chúng em

Chúng em chân thành cảm ơn quý thầy, cô ạ

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

DANH MỤC HÌNH ẢNH v

DANH MỤC BẢNG BIỂU vi

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 2

1.1 Giới thiệu sản phẩm 2

1.1.1 Methanol 2

1.1.2 Ethanol 3

1.1.3 Hỗn hợp Methanol - Ethanol 5

1.2 Lý thuyết về chưng cất 5

1.2.1 Khái niệm 5

1.2.2 Các phương pháp chưng cất 6

1.2.3 Thiết bị chưng cất 6

CHƯƠNG 2 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 8

2.1 Lựa chọn quy trình công nghệ 8

2.2 Thuyết minh quy trình công nghệ 8

CHƯƠNG 3 TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG 10

3.1 Các thông số đầu vào 10

3.2 Cân bằng vật chất 10

3.3 Xác định chỉ số hoàn lưu 12

3.4 Số mâm lý thuyết 13

3.5 Số mâm thực tế 14

3.6 Cân bằng năng lượng 17

3.6.1 Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện 18

3.6.2 Cân bằng năng lượng cho các thiết bị truyền nhiệt 26

CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH 33

4.1 Đường kính tháp 33

4.1.1 Đường kính đoạn cất 33

4.1.2 Đường kính đoạn chưng 36

4.1.3 Tốc độ làm việc thực 40

4.2 Chiều cao tháp chưng cất 40

4.2.1 Chiều cao của thân tháp 40

4.2.2 Chiều cao đáy nắp 40

4.3 Trở lực tháp 41

4.3.1 Cấu tạo của mâm lỗ 41

4.3.2 Trở lực của đĩa khô 41

4.3.3 Trở lực do sức căng bề mặt 42

4.3.4 Trở lực thủy tĩnh do chất lỏng trên đĩa tạo ra 43

4.3.5 Tổng trở lực thủy lực của tháp 46

4.3.6 Kiểm tra hoạt động của mâm 46

4.3.7 Kiểm tra tính đồng nhất của hoạt động mâm 47

4.3.8 Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động 47

4.3.9 Kiểm tra rò rỉ qua lỗ mâm 49

4.3.10 Tổng hợp tính toán kích thước tháp 49

4.4 Tính toán cơ khí tháp 50

4.4.1 Bề dày thân tháp 50

4.4.2 Đáy và nắp 52

4.4.3 Bề dày mâm 54

4.4.4 Bích ghép thân, đáy và nắp 56

4.4.5 Đường kính các ống dẫn – Bích ghép các ống dẫn 57

4.4.6 Tính toán lớp cách nhiệt 63

4.4.7 Tính trọng lượng của toàn tháp 65

4.4.8 Chân đỡ 66

4.4.9 Tai treo 66

4.4.10 Kính quan sát 67

4.4.11 Tổng hợp kết quả tính toán cơ khí tháp 67

CHƯƠNG 5 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ 68

5.1 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 68

5.1.1 Xác định hệ số truyền nhiệt thiết bị ngưng tụ đỉnh 68

5.1.2 Xác định bề mặt truyền nhiệt 75

5.1.3 Cấu tạo thiết bị 75

5.2 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 77

5.2.1 Xác định hệ số truyền nhiệt thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 78

5.2.3 Cấu tạo thiết bị 83

5.3 Thiết bị gia nhiệt nhập liệu 84

5.3.1 Xác định hệ số truyền nhiệt thiết bị gia nhiệt nhập liệu 85

5.3.2 Xác định bề mặt truyền nhiệt 90

5.3.3 Cấu tạo thiết bị 90

5.4 Thiết bị nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy 91

5.4.1 Xác định hệ số truyền nhiệt thiết bị đun sôi sản phẩm đáy 92

5.4.2 Xác định bề mặt truyền nhiệt 95

5.4.3 Cấu tạo thiết bị 95

5.5 Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy 97

5.5.1 Xác định hệ số truyền nhiệt thiết bị làm nguội sản phẩm đáy 98

5.5.2 Xác định bề mặt truyền nhiệt 103

5.5.3 Cấu tạo thiết bị 103

5.6 Bồn cao vị, bơm nhập liệu 104

5.6.1 Bồn cao vị 104

5.6.2 Bơm nhập liệu 108

KẾT LUẬN 113

TÀI LIỆU THAM KHẢO 114

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Đồ thị cân bằng pha lỏng (x) – hơi (y) của hệ Methanol-Ethanol ở 1atm 5

Hình 2.1 Sơ đồ quy trình công nghệ chưng cất hệ Methanol - Ethanol 8

Hình 3.1 Đồ thị cân bằng pha lỏng (x) – hơi (y) của hệ Methanol-Ethanol ở 1atm 12

Hình 3.2 Đồ thị xác định số mâm lý thuyết của hệ Methanol-Ethanol 13

Hình 3.3 Xác định hiệu suất trung bình của thiết bị 14

Hình 3.4 Mô tả quá trình trao đổi nhiệt của tháp chưng cất 17

Hình 4.1 Cấu tạo gờ chảy tràn 44

Hình 4.2 Cấu tạo đáy, nắp 53

Hình 4.3 Cấu tạo bích ghép 56

Hình 4.4 Chân đỡ 66

Hình 4.5 Tai treo 66

DANH MỤC BẢNG BI

Bảng 1.1 Thành phần cân bằng pha lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của 2 cấu tử ở

760mmHg (%mol) 5

Bảng 1.2 So sánh ưu nhược điểm các loại tháp 7

Bảng 3.1 Tóm tắt các thông số cân bằng vật chất 12

Bảng 3.2 Thành phần cân bằng pha lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của 2 cấu tử ở 760mmHg (%mol) 12

Bảng 3.3 Kết quả tính toán cân bẳng nhiệt lượng cho tháp chưng cất 26

Bảng 3.4 Kết quả tính toán cân bằng nhiệt lượng thiết bị truyền nhiệt 32

Bảng 4.1 Tổng hợp kết quả tính toán thông số tháp chưng cất 50

Bảng 4.2 Thông số kích thước bích ghép thân, đáy, nắp 57

Bảng 4.3 Thông số bích ghép ống dẫn nhập liệu 58

Bảng 4.4 Thông số bích ghép ống dẫn hơi sản phẩm đỉnh 59

Bảng 4.5 Thông số của bích ghép ống dẫn hoàn lưu 60

Bảng 4.6 Thông số của bích ghép ống dẫn hơi vào đáy tháp 61

Bảng 4.7 Bảng thông số của bích ghép ống dẫn chất lỏng đáy 62

Bảng 4.8 Thông số của bích ghép ống dẫn sản phẩm đáy 63

Bảng 4.9 Thông số chân đỡ 66

Bảng 4.10 Thông số tai treo 67

Bảng 4.11 Bảng kết quả tính cơ khí tháp chưng cất 67

Bảng 5.1 Kết quả tính toán thiết bị ngưng tụ 76

Bảng 5.2 Kết quả tính toán thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 84

Bảng 5.3 Kết quả tính toán thiết bị gia nhiệt nhập liệu 91

Bảng 5.4 Kết quả tính toán thiết bị nồi đun 96

Bảng 5.5 Kết quả tính toán thiết bị làm nguội sản phẩm đáy 104

MỞ ĐẦU

Trong thời đại ngày nay, dưới sự phát triển vượt bậc của nền khoa học công nghệ, càngngày có thêm nhiều phát minh mới ra đời nhằm mục đích thúc đẩy sự phát triển củanhân loại Một trong những ngành nghề tiên phong không ngừng đổi mới đó chính làngành công nghiệp kỹ thuật hóa học, góp phần thúc đẩy sự phát triển của nhiều ngànhnghề khác nhau Do đó việc đầu tư nghiên cứu sản xuất hóa chất là điều cần thiết, đặcbiệt là trong các lĩnh vực sản xuất hóa chất cơ bản tinh khiết bằng nhiều phương phápkhác nhau như chưng cất, trích ly, hấp thu, …

Mục đích của quá trình thiết kế đồ án môn học Quá trình và Thiết bị nhằm vận dụngcác kiến thức nền tảng sẵn có để tính toán, thiết kế quy trình công nghệ, kết cấu thiết

bị, bảo toàn vật chất và năng lượng để hệ thống sản xuất hóa chất vận hành ổn định.Ngoài ra cũng trau dồi thêm kinh nghiệm cho sinh viên, những kỹ sư tương lai có nềntảng vững chắc hơn trên con đường phát triển nền Công nghệ Kỹ thuật Hóa học nướcnhà

Trong khuôn khổ đề tài được giao, hệ Methanol – Ethanol được xem là hệ lỏng – lỏng

có thể tách thành các cấu tử riêng biệt nhờ vào sự chênh lệch về nhiệt độ sôi của từngcấu tử Do hệ Methanol – Ethanol không có điểm đẳng phí do đó dễ dàng phân táchbằng phương pháp chưng cất có độ tinh khiết cao

Phạm vi thiết kế của đề tài là thiết kế hệ thống chưng cất hệ Methanol– Ethanol bằngtháp mâm xuyên lỗ nhập liệu ở trạng thái lỏng sôi với các thông số đầu vào như sau:

 Năng suất nhập liệu: 1500 kg/h

 Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong nhập liệu: 30% khối lượng

 Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đỉnh: 80% khối lượng

 Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy: 5% khối lượng

Methanol là cồn công nghiệp, rất độc, uống lượng nhỏ gây mù mắt, nhiều hơn có thể

tử vong Cồn methanol được điều chế từ gỗ nên còn được gọi là "cồn gỗ" Cồn dùngtrong phòng thí nghiệm là cồn công nghiệp có chứa nhiều methanol Tuyệt đối khôngđược uống cồn công nghiệp hoặc dùng cồn công nghiệp thay rượu uống

1.1.1.2 Tính chất vật lý

Methanol là chất lỏng không màu, trung tính, có tính phân cực, tan trong nước,benzene, rượu, este và hầu hết các dung môi hữu cơ Rất dễ cháy, khi cháy có ngọn lửamàu xanh và không có khói

Methanol rất nhẹ, dễ bay hơi, có khả năng hòa tan nhiều loại nhựa, ít tan trong các loạichất béo, dầu Do có tính phân cực nên tan được trong một số chất hữu cơ.Methanol dễ tạo hỗn hợp cháy nổ với không khí (7-34 %), rất độc cho sức khỏe conngười, với lượng 10 ml trở lên có thể gây tử vong

Tỷ trọng (so với nước): 0,799 ÷ 0,8

Khối lượng riêng: 0,7918 (g/cm-3)

Ethanol là một ancol mạch hở, công thức hóa học của nó là C2H6O hay C2H5OH Mộtcông thức thay thế khác là CH3-CH2-OH thể hiện cacbon ở nhóm metyl (CH3–) liênkết với carbon ở nhóm metylen (–CH2–), nhóm này lại liên kết với oxy của nhómhydroxyl (–OH) Nó là đồng phân nhóm chức của dimetyl ete Ethanol thường đượcviết tắt là EtOH.

phân tử rượu với nhau và với nước.

 Phản ứng oxi hóa 3 mức thành aldehyde, (đốt cháy) thành CO2 và H2O

CH3-CH2-OH + CuO CH3-CHO + Cu + H2O

C2H5OH + 3O22CO2 + 3H2O

 Phản ứng tạo butadien-1,4: xúc tác hỗn hợp Cu + Al2O3 ở 380-40000C, lúc đóxảy ra phản ứng tách loại nước

2C2H5OH CH2=CH-CH=CH2 + 2H2O + H2

 Phản ứng lên men giấm:

CH3-CH2-OH + O2 (kk) CH3-COOH + H2O (lên men hiếm khí)

1.1.2.4 Ứng dụng

Ethanol được dùng để pha vào xăng để tăng trị số octan cho xăng Hiện nay Việt Namđang sản xuất xăng sinh học E5 với % ethanol Dùng làm dung môi cho ngành côngnghiệp hóa chất, dùng trong ngành dược

Cồn thực phẩm: sản xuất rượu, đồ uống có cồn, nước ướp gia vị, chiết xuất dược liệu,pha chế thuốc, vệ sinh, sát trùng, mỹ phẩm

Cồn công nghiệp: dùng cho công nghiệp in, công nghiệp điện tử, dệt may, sản xuất mỹphẩm, dược phẩm

1.1.3 Hỗn hợp Methanol - Ethanol

Bảng 1.1 Thành phần cân bằng pha lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của 2 cấu tử ở

760mmHg (%mol)

Cân bằng lỏng hơi

Hơi (Y) (%mol)

Thay vì đưa vào trong hỗn hợp một pha mới để tạo nên sự tiếp xúc giữa hai pha nhưtrong quá trình hấp thụ hoặc nhả khí, trong quá trình chưng cất pha mới được tạo nênbằng sự bốc hơi hoặc ngưng tụ Trong trường hợp đơn giản nhất, chưng cất và cô đặckhông khác gì nhau, tuy nhiên giữa hai qua trình này có một ranh giới cơ bản là trongquá trình chưng cất dung môi và chất tan đều bay hơi (nghĩa là các cấu tử đều hiệndiện trong cả hai pha nhưng với tỉ lệ khác nhau), còn trong quá trình cô đặc thì chỉ códung môi bay hơi còn chất tan thì không bay hơi

Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử 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 sản

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 ítcấu tử có độ bay hơi lớn

Suy ra với quy trình chưng cất đối với hệ methanol – ethanol thì: sản phẩm đỉnh làmethanol, sản phẩm đáy là ethanol

1.2.2.2 Phân loại theo nguyên lý làm việc

 Chưng cất đơn giản

 Chưng bằng hơi nước trực tiếp

 Chưng cất đa cấu tử

1.2.2.3 Phân loại theo phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp

 Cấp nhiệt trực tiếp

 Cấp nhiệt gián tiếp

Vậy đối với hệ methanol – ethanol, ta nên chọn phương pháp chưng cất liên tục cấpnhiệt gián tiếp, ở áp suất thường

1.2.3 Thiết bị chưng cất

Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để tiến hành chưng cất Tuynhiên, yêu cầu cơ bản chung của các thiết bị vẫn giống nhau là diện tích bề mặt tiếpxúc pha phải lớn, diều này phụ thuộc vào mức độ phân tán của một lưu chất này vàolưu chất kia Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng, ta có các loại tháp mâm, nếu pha lỏngphân tán vào pha khí thì ta có tháp chêm, tháp phun, … Ở đây ta khảo sát 2 loạithường dùng là tháp mâm và tháp chêm (tháp đệm)

 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 Tuỳ theo cấu tạo của đĩa, ta có:

- Tháp mâm chóp: trên mâm bố trí có chóp dạng tròn, xupap, chử S …

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

 Tháp chêm (tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối tiếp nhau bằng mặt bích hay hàn Vật chêm được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp sau:xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự

Bảng 1.2 So sánh ưu nhược điểm các loại thápTháp chêm Tháp mâm xuyên lỗ Tháp mâm chóp

- Hiệu suất khá cao

- Độ ổn định thấp, khóvận hành

- Khó tăng năng suất

- Thiết bị khá nặng nề

- Không làm việcđược với chất lỏngbẩn

- Kết cấu khá phứctạp

- Có trở lực lớn

- Tiêu tốn nhiềuvật tư, kết cấuphức tạp

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, nhậnthấy tháp mâm xuyên lỗ phù hợp với hệ methanol – ethanol này Tháp mâm xuyên lỗ

có những ưu điểm sau:

 Vệ sinh dễ dàng

 Trở lực thấp hơn tháp chóp

 Ít tốn kim loại hơn tháp chóp

 Hiệu suất khá cao

CHƯƠNG 2 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

2.1 Lựa chọn quy trình công nghệ

Hình 2.1 Sơ đồ quy trình công nghệ chưng cất hệ Methanol - Ethanol

 Chú thích:

1 Bồn chứa nguyên liệu 7 Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy

3 Bồn cao vị 9 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh

4 Thiết bị gia nhiệt nhập liệu 10 Thiết bị phân phối chất lỏng

5 Tháp chưng cất 11 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh

2.2 Thuyết minh quy trình công nghệ

Hỗn hợp methanol – ethanol có nồng độ nhập liệu methanol 30% khối lượng, nhiệt độkhoảng 300C tại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3) Sau

đó hỗn hợp được gia nhiệt ở thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu (4) đến nhiệt độ sôi vàđược điều chỉnh lưu lượng dòng nhập liệu vào tháp chưng cất (5) thông qua lưu lượng

kế ở vị trí đĩa nhập liệu, toàn bộ quá trình đều được kiểm soát nhiệt độ bởi nhiệt kế

Trong đĩa nhập liệu, chất lỏng sôi được trộn với phần lỏng từ đoạn luyện của tháp chảyxuống Trong tháp, hơi đi từ dưới lên gặp chất lỏng đi từ trên xuống Ở đây, có sự tiếpxúc và trao đổi giữa hai pha với nhau Pha lỏng chuyển động trong tháp chưng cấtcàng xuống dưới càng giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi tạo nên từthiết bị đun sôi đáy tháp (6) 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 cónhiệt độ sôi cao là ethanol sẽ ngưng tụ lại, và nồng độ ethanol trong pha lỏng ngàycàng tăng cuối cùng ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng hầu hết là các cấu tử khó bayhơi (ethanol) Hỗn hợp lỏng ở đáy tháp có nồng độ methanol là 5% khối lượng, còn lại

là ethanol Dung dịch lỏng ở đáy tháp đi vào thiết bị trao đổi nhiệt (6) Trong thiết bịtrao đổi nhiệt dung dịch lỏng một phần sẽ bốc hơi cung cấp lại cho tháp để làm việcliên tục, phần còn lại ra khỏi thiết bị vào thiết bị làm nguội sản phẩm đáy (7) Sau đó,được đưa vào bồn chứa sản phẩm đáy (8)

Các cấu tử có nhiệt độ sôi thấp được bốc hơi lên trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp cónồng độ cấu tử methanol cao (80% phần khối lượng) Hơi này đi vào thiếp bị ngưng tụ(9) và được ngưng tụ hoàn toàn tại bồn chứa tạm thời Một phần chất lỏng ngưng tụđược hoàn lưu về tháp ở đĩa trên cùng bằng thiết bị phân phối chất lỏng (10) dẫn quabơm (2) Phần còn lại qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (11) và được làm nguộiđến 400C, rồi đưa về bình chứa sản phẩm đỉnh (12)

Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là methanol, sản phẩm đáy là ethanol

3.1 Các thông số đầu vào

Chọn loại tháp là tháp mâm xuyên lỗ Thiết bị hoạt động liên tục Khi chưng luyệndung dịch methanol - ethanol thì cấu tử dễ bay hơi là methanol

Hỗn hợp:

- Methanol: CH3OH, MMe = 32.04 (g/mol), ts(Methanol) = 64.7

- Ethanol: C2H5OH, MEt = 46.07 (g/mol), ts (Ethanol) = 78.37

- Năng suất nhập liệu: GF = 1500 (kg/h)

- Nồng độ nhập liệu: phần kl methanol

- Nồng độ sản phẩm đỉnh: phần kl methanol

- Nồng độ sản phẩm đáy: phần kl methanol

Chọn

- Nhiệt độ nhập liệu ban đầu: tBĐ = 300C

- Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội: tPR = 400C

- Nhiệt độ dòng nước lạnh đi vào: tV = 300C

- Nhiệt độ dòng lạnh đi ra: tR = 400C

- Trang thái nhập liệu vào tháp chưng cất là trạng thái lỏng sôi

Các ký hiệu:

- GF, F: suất lượng nhập liệu tính theo kg/h, kmol/h

- GP, P: suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo kg/h, kmol/h

- GW, W: suất lượng sản phẩm đáy tính theo kg/h, kmol/h

- L: suất lượng dòng hoàn lưu, kmol/h

- xi, : nồng độ phần mol, phần khối lượng của cấu tử i

3.2 Cân bằng vật chất

Nồng độ phần mol của methanol

Phân tử lượng trung bình của nhập liệu:

Suất lượng mol:

Cân bằng vật chất cho toàn tháp: F = D + W (1)

Cân bằng cấu tử methanol (cấu tử nhẹ): FxF = D.xD + W.xW (2)

Từ (1) và (2) ta có:

Suy ra:

Bảng 3.1 Tóm tắt các thông số cân bằng vật chấtThông

số

Dòng

Nồng độphầnmol x(phầnmol)

Nồng độphầnkhốilượng

Suấtlượngmol(kmol/h)

Suấtlượngkhốilượng(kg/h)

Phân tửlượngtrungbình(kg/kmol)

Nhiệt độ(0C)

3.3 Xác định chỉ số hoàn lưu

Tỉ số hoàn lưu tối thiểu là chỉ số mà chế độ làm việc tại đó ứng với số mâm lý thuyết

là vô cực Do đó, chi phí cố định là vô cực nhưng chi phí điều hành (nguyên liệu,nước, bơm…) là tối thiểu

Tỉ số hồi lưu (IX.24/158 [ CITATION Ngudc \l 1033 ]):

: nồng độ phần mol của methanol trong pha hơi của dòng nhập liệu

Để xác định ta xây dựng đồ thị cân bằng lỏng hơi hệ methanol- ethanol:

Bảng 3.2 Thành phần cân bằng pha lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của 2 cấu tử ở

Số mâm lý thuyết:

0 20 40 60 80

Hình 3.2 Đồ thị xác định số mâm lý thuyết của hệ Methanol-Ethanol

Từ đồ thị ta xác định được 19 mâm lý thuyết, số thứ tự mâm được sắp xếp tăng dần từđỉnh tháp đến đáy tháp, trong đó:

Với ηD, ηF, ηW lần lượt là hiệu suất của mâm trên cùng, hiệu suất của mâm nhập liệu vàhiệu suất của mâm dưới cùng

Xác định i: Ta xác định ηi dựa vào hình 3.3(IX.11/171, [ CITATION Ngudc \l 1033 ]):

Hình 3.3 Xác định hiệu suất trung bình của thiết bị

Sau khi tính được tích số giữa độ bay hơi tương đối α và độ nhớt của hỗn hợp lỏng μhh,

Mặt khác: xF = 0,38 và , tra toán đồ trang 90,93,94 [ CITATION Ngu99 \l 1033 ], ta có

Tra đồ thị hình IX.11 trang 171 [ CITATION Ngudc \l 1033 ], ta có:

Tại vị trí mâm đỉnh, Ta có: xD = 0,85 ta tra đồ thị cân bằng của hệ:

(nội suy)

Mặt khác: xD = 0,85 và , tra toán đồ trang 90, 93, 94 [ CITATION Ngu99 \l 1033 ], ta

có độ nhớt:

 Methanol

Tra đồ thị hình IX.11 trang 171 [ CITATION Ngudc \l 1033 ], ta có:

Tại vị trí mâm đáy, ta có xW = 0,07 ta tra đồ thị cân bằng của hệ:

(nội suy)

Mặt khác: xW = 0,07 và , tra toán đồ trang 90, 93, 94 [ CITATION Ngu99 \l 1033 ], ta

có độ nhớt:

 Methanol

Tra đồ thị hình IX.11 trang 171 [ CITATION Ngudc \l 1033 ], ta có:

Số mâm thực tế cần thiết cho thiết bị chưng cất là:

Vậy thiết bị chưng cất mâm xuyên lỗ cho hệ Methanol và Ethanol cần có 34 mâmchưng cất, trong đó có:

 13 mâm phần cất

 1 mâm nhập liệu ở vị trí mâm số 8

 20 mâm phần chưng (có 1 mâm là nồi đun)

3.6 Cân bằng năng lượng

Hình 3.4 Mô tả quá trình trao đổi nhiệt của tháp chưng cấtTrong đó:

: lượng nhiệt cấp để gia nhiệt đáy tháp (kJ/h)

: lượng nhiệt dòng nhập liệu mang vào tháp (kJ/h)

: lượng nhiệt dòng hồi lưu mang vào tháp (kJ/h)

: lượng nhiệt sản phẩm đỉnh mang ra khỏi tháp (kJ/h)

: lượng nhiệt sản phẩm đáy mang ra khỏi tháp (kJ/h)

: lượng nhiệt tổn thất ra môi trường xung quanh (kJ/h)

: lượng nhiệt do hơi nước cung cấp để đun nóng hỗn hợp đầu (kJ/h)

: lượng nhiệt mất mát trong quá trình đun sôi (kJ/h)

: nhiệt lượng do sản phẩm đỉnh mang ra (kJ/h)

: nhiệt do nước ngưng mang ra ở thiết bị đun sôi hỗn hợp đầu (kJ/h)

: nhiệt do nước ngưng mang ra ở thiết bị đun sôi sản phẩm đáy (kJ/h)

3.6.1 Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện

3.6.1.1 Nhiệt lượng do dòng nhập liệu mang vào tháp

Nhiệt lượng dòng nhập liệu mang vào tháp là (IX.152/196 [ CITATION Ngudc \l

1033 ])

Trong đó:

CpF: nhiệt dung riêng của hỗn hợp khi đi vào tháp, (J/kg độ)

tF: nhiệt độ hỗn hợp khi ra khỏi thiết bị đun nóng, (0C)

: lượng hỗn hợp nhập liệu ban đầu, (kg/h)

Tại nhiệt độ dòng nhập liệu , ta có công thức tính nhiệt dung riêng cùa hỗn hợp:

Trong đó:

CpMe: nhiệt dung riêng của methanol (J/kg độ)

CpEt: nhiệt dung riêng của ethanol (J/kg độ)

Tại nhiệt độ dòng nhập liệu, tra bảng (I.154/172, [2]) ta có giá trị nhiệt dung riêng :

Tại :

Tại :

Nội suy nhiệt dung riêng của Ethanol tại :

Vậy nhiệt dung riêng của hỗn hợp tại

Vậy nhiệt lượng dòng nhập liệu mang vào tháp là:

3.6.1.2 Nhiệt lượng do dòng hồi lưu mang vào tháp

(IX.158/197, [ CITATION Ngudc \l 1033 ])Trong đó:

: dòng sản phẩm đỉnh, (kg/h)

CpR: nhiệt dung riêng của hỗn hợp hồi lưu, (J/kg độ)

tR: nhiệt độ hỗn hợp hồi lưu, (0C)

R: chỉ số hồi lưu dòng sản phẩm đỉnh

Tại nhiệt độ sản phẩm định , ta có công thức tính nhiệt dung riêng cùa hỗn hợp:

Tại nhiệt độ của dòng sản phẩm đỉnh, tra bảng (I.154/172, [2]) ta có giá trị nhiệt dungriêng:

 Methanol

Nội suy nhiệt dung riêng của Ethanol tại :

Vậy nhiệt dung riêng của hỗn hợp tại

Do dó ta có nhiệt lượng dòng hồi lưu mang vào tháp là:

)

3.6.1.3 Nhiệt lượng do dòng sản phẩm đỉnh mang ra khỏi tháp

Tra công thức IX.159/197, [ CITATION Ngudc \l 1033 ]:

Trong đó:

: dòng sản phẩm đỉnh, (kg/h)

: nhiệt lượng riêng của hỗn hợp hơi ở đỉnh, (J/kg)

R: chỉ số hồi lưu dòng sản phẩm đỉnh

Tại nhiệt độ dòng sản phẩm định , ta có công thức tính nhiệt lượng riêng cùa hỗn hợp hơi:

Trong đó:

: nhiệt lượng riêng của methanol, (J/kg)

: nhiệt lượng riêng của ethanol, (J/kg)

Biết

Trong đó:

: Nhiệt lượng riêng của cấu tử i, (J/kg)

: Ẩn nhiệt hóa hơi của cấu tử I, (J/kg)

: Nhiệt dung riêng của cấu tử I, (J/kg độ)

Tại nhiệt độ của dòng sản phẩm đỉnh, ta có:

Tại nhiệt độ của dòng sản phẩm đỉnh, ta có giá trị ẩn nhiệt hóa hơi (Tra bảngI.212/254, [2]):

 Methanol

Tại :

Tại :

Nội suy ẩn nhiệt hóa hơi của Methanol tại :

 Ethanol

Tại :

Tại :

Nội suy ẩn nhiệt hóa hơi của Ethanol tại :

Nhiệt lượng riêng của hổn hợp hơi sản phầm đỉnh là:

Vậy nhiệt lượng dòng sản phẩm đỉnh mang ra khỏi tháp là:

3.6.1.4 Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra khỏi tháp:

Ta có công thức tính nhiệt lượng dòng sản phẩm đáy mang ra khỏi tháp (công thứcIX.160/197, [ CITATION Ngudc \l 1033 ]):

Trong đó:

: xuất lượng dòng sản phẩm đáy, (kg/h)

: nhiệt độ của sản phẩm đáy,

: Nhiệt dung riêng của sản phẩm đáy, (J/kg độ)

Tại nhiệt độ của dòng sản phẩm đấy, tra bảng (I.154/172, [2]) ta có giá trị nhiệt dungriêng:

Nội suy nhiệt dung riêng của Ethanol tại :

Vậy nhiệt dung riêng của sản phẩm đáy là:

Vậy nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra khỏi tháp là

3.6.1.5 Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra Q ng2

Ta có công thức (IX.161/198, [ CITATION Ngudc \l 1033 ]) nhiệt lượng do nướcngưng mang ra trong tháp là

Trong đó:

Gng2: lượng nước ngưng tụ, (kg/h)

C2, ϴ2: nhiệt dung riêng, (J/kg.độ) và nhiệt độ của nước ngưng, (oC)

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

3.6.1.6 Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp

(Công thức IX.156/197, [ CITATION Ngudc \l 1033 ])

Ta chọn: (IX.162/198, [ CITATION Ngudc \l 1033 ])

Suy ra

Mặc khác theo công thức IX.157/197 [ CITATION Ngudc \l 1033 ], ta có:

Trong đó:

D2: Lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi dung dịch trong đáy tháp, (kg/h)

r2: ẩn nhiệt hóa hơi, (J/kg)

2: hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng) của hơi đốt, (J/kg)

ϴ2, C2: nhiệt độ (oC), và nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg.độ)

Chọn hơi đốt là hơi nước bão hòa tại áp suất: p = 2 (at)

Tra bảng I.251/314 [2], có các giá trị sau:

Nhiệt độ sôi: tS = ϴ2 = 119,6 oC

Ẩn nhiệt hóa hơi: r = r2 = 2208 (kJ/kg)

Tra bảng I.148/166 [2], ta có nhiệt dung riêng của nước tại áp suất p = 2 (at):

Do đó ta có lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi dung dịch trong đáy tháp là:

3.6.1.7 Nhiệt lượng của dòng hồi lưu mang vào tháp

Ta chọn: