ĐỒ án QUÁ TRÌNH và THIẾT bị CNHH THIẾT kế hệ THỐNG CHƯNG cất LIÊN tục hỗn hợp ACETONE – nước NĂNG SUẤT 1500 LH

Hiện nay, trong nhiều ngành như sản xuất chấthóa học, sử dụng những sản phẩm hóa học… hầu hết các ngành đều có nhu cầu sửdụng nguyên liệu hoặc sản phẩm có độ tinh khiết cao để phù hợp vớ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

KHOA CÔNG NGHỆ

ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

CNHH

THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG CẤT LIÊN TỤC HỖN HỢP ACETONE – NƯỚC

NĂNG SUẤT 1500 L/H

Ngành CN Kỹ Thuật Hóa Học –K44

Tháng 4/2022

Trong quá trình học tập và rèn luyện tại trường, dưới sự giảng dạy của thầy côthuộc khoa công nghệ, đã giúp đỡ em có một môi trường học tập thật tốt Em xin gửilời cảm ơn chân thành đến các thầy cô, những người đã tận tâm truyền đạt những kiếnthức quý báu cho chúng em Đặc biệt là thầy cô thuộc bộ môn công nghệ kỹ thuật hóahọc đã hướng dẫn em một cách tận tình, giúp em có thể tiếp cận được các bước thựchiện và hoàn thành học phần nghiên cứu một cách tốt nhất.

Trên hết, em xin chân thành cảm ơn thầy Thiều Quang Quốc Việt đã tận tâm giúp

đỡ em qua những lời chỉ dẫn, các buổi họp để thảo luận về đề tài, những chia sẽ kinhnghiệm quý báu của thầy đã mang lại cho em rất nhiều kiến thức hữu ích để có thểhoàn thành tốt học phần đồ án quá trình và thiết bị công nghệ hóa học

Cuối cùng, em xin cảm ơn các bạn lớp công nghệ kỹ thuật hóa học K44 đã chia

sẽ những tài liệu hữu ích liên quan đến học phần và giúp đỡ em khi gặp khó khăntrong quá trình thực hiện đồ án

Tuy đã cố gắng trong lúc thực hiện nhưng chắc chắn đồ án sẽ không tránh khỏinhững sai sót do khả năng về kiến thức và thời gian có hạn, Em rất mong quý thầy cô

bỏ qua những sai sót và góp ý chỉ dẫn thêm cho em để em có thể hoàn thiện hơn

Sau cùng, em xin kính chúc quý thầy cô thật dồi dào sức khỏe để tiếp tục thựchiện sứ mệnh cao đẹp của mình là người truyền đạt kiến thức cho thế hệ mai sau

Một trong những ngành công nghiệp có đóng góp to lớn đến công nghiệp nước tanói chung và công nghiệp thế giới nói riêng là ngành công nghiệp hóa chất, đặc biệt làngành công nghiệp hóa chất cơ bản Hiện nay, trong nhiều ngành như sản xuất chấthóa học, sử dụng những sản phẩm hóa học… hầu hết các ngành đều có nhu cầu sửdụng nguyên liệu hoặc sản phẩm có độ tinh khiết cao để phù hợp với quy trình sảnxuất hoặc nhu cầu sử dụng.

Ngày nay, các phương pháp được sử dụng để nâng cao độ tinh khiết đang được

sử dụng phổ biến hiện nay là trích ly, chưng cất, cô đặc, hấp thụ,… tùy theo đặc tínhyêu cầu của sản phẩm mà ta có sự lựa chọn phương pháp cho phù hợp Đối với hệacetone – nước là hai cấu tử tan lẫn hoàn toàn vào nhau và có độ bay hơi tương đốikhác nhau nên phương pháp thích hợp nhất để nâng cao độ tinh khiết của acetone làphương pháp chưng cất

Đồ án quá trình và thiết bị công nghệ hóa học là một môn học mang tính tổnghợp lại kiến thức về chuyên môn trong quá trình học tập của các kỹ sư hóa chất tươnglai Môn học giúp ta giải quyết nhiệm vụ tính toán cụ thể về yêu cầu công nghệ, kếtcấu, giá thành của một số thiết bị trong sản xuất hóa chất – thực phẩm, đây là bước đầutiên để sinh viên có thể làm quen việc vận dụng những kiến thức đã học của nhiều mônhọc vào giải quyết những vấn đề kỹ thuật thực tế một cách tổng hợp

Nhiệm vụ của đồ án này là thiết kế tháp chưng cất hệ acetone – nước hoạt độngliên tục với năng xuất nhập liệu 1500 L/H có nồng độ 46% khối lượng acetone, thu sảnphẩm đỉnh có nồng độ 96% khối lượng acetone

LỜI CẢM ƠN iii

LỜI NÓI ĐẦU iv

MỤC LỤC v

DANH SÁCH HÌNH ix

DANH SÁCH BẢNG x

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Giới thiệu về nguyên liệu 1

1.1.1 Aceton 1

1.1.2 Nước 2

1.1.3 Hỗn hợp Acetone – Nước 3

1.2 Lý thuyết về chưng cất 6

1.2.1 Khái niệm về chưng cất 6

1.2.2 Tháp chưng cất 7

CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 10

2.1 Công nghệ chưng cất acetone-nước 10

2.2 Thuyết minh quy trình công nghệ 10

CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT 13

3.1 Quy ước các ký hiệu và thông số 13

3.2 Các thông số ban đầu 13

3.3 Cân bằng vật chất 14

3.3.1 Nồng độ phần mol của acetone trong tháp 14

3.3.2 Suất lượng các dòng 14

3.3.3 Các phương trình làm việc 15

3.3.3.1 Tỉ số hoàn lưu tối thiểu 15

3.3.3.2 Tỉ số hoàn lưu thích hợp 15

3.3.3.3 Phương trình làm việc phần chưng 17

3.3.3.4 Phương trình đường làm việc phần cất 17

3.5.1 Xác định hiệu suất trung bình của tháp η tb 18

3.5.1.1 Tại vị trí nhập liệu 19

3.5.1.2 Tại vị trí mâm đáy 19

3.5.1.3 Tại vị trí mâm đỉnh 19

3.5.1.4 Hiệu suất trung bình 20

3.5.2 Số mâm thực tế 20

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT 21

4.1 Đường kính tháp, D t 21

4.1.1 Đường kính đoạn cất 21

4.1.1.1 Xác định gd 21

4.1.1.2 Xác định r1 22

4.1.1.3 Xác định rD 22

4.1.1.4 Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp ở đoạn cất 22

4.1.2 Đường kính đoạn chưng 24

4.1.2.1 Xác định g’n 24

4.1.2.2 Xác định r’1 24

4.1.2.3 Xác định r1 25

4.1.2.4 Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp ở đoạn chưng 25

4.2 Chiều cao tháp 27

4.2.1 Cấu tạo mâm lỗ 27

4.2.2 Độ giảm áp của pha khí qua mâm 27

4.2.2.1 Độ giảm áp qua mâm khô 27

4.2.2.2 Độ giảm áp do chiều cao mực chất lỏng 29

4.2.2.3 Độ giảm áp sức căng bề mặt 30

4.2.3 Kiểm tra khả năng hoạt động của tháp 31

4.2.3.1 Kiểm tra ngập lụt khi hoạt động 31

4.2.4 Tính toán chiều cao tháp 32

4.3 Tính toán cơ khí tháp 32

4.3.1.1 Áp suất tính toán 33

4.3.1.2 Xác định bề dày thân chịu áp suất trong 33

4.3.2 Đáy và nắp thiết bị 34

4.3.3 Bích ghép thân, đáy và nắp 36

4.3.4 Đường kính các ống dẫn và thông số các bích ghép ống 37

4.3.4.1 Tại vị trí nhập liệu: 38

4.3.4.2 Ống hơi ở đỉnh tháp: 39

4.3.4.3 Ống hoàn lưu 39

4.3.4.4 Ống dẫn hơi vào đáy tháp: 40

4.3.4.5 Ống dẫn chất lỏng ở đáy tháp: 41

4.3.4.6 Ống dẫn chất lỏng từ nồi đun (sản phẩm đáy) 42

4.4 Chân đỡ và tay treo 43

4.4.1 Trọng lượng toàn tháp 43

4.4.2 Chân đỡ tháp 44

4.4.3 Tai treo 45

CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT VÀ THIẾT BỊ PHỤ 47

5.1 Cân bằng nhiệt lượng thiết bị đun nóng hỗn hợp 47

5.2 Cân bằng nhiệt lượng toàn tháp 48

5.3 Thiết bị phụ 51

5.3.1 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 51

5.3.1.1 Suất lượng nước cần dùng để ngưng tụ sản phẩm đỉnh: 51

5.3.1.2 Xác định bề mặt truyền nhiệt 51

a Xác định hệ số cấp nhiệt của nước trong ống 52

b Hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ 53

5.3.2 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 56

5.3.2.1 Suất lượng hơi dùng để làm mát sản phẩm đỉnh 57

5.3.2.2 Xác định bề mặt truyền nhiệt 57

5.3.3.1 Suất lượng hơi nước cần dùng 63

5.3.3.2 Xác định bề mặt truyền nhiệt 63

5.3.4 Thiết bị trao đổi nhiệt giữa nhập liệu và sản phẩm đáy 67

5.3.4.1 Xác định bề mặt tuyền nhiệt 68

5.3.4.2 Hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đáy ở ống ngoài 69

5.3.4.3 Hệ số cấp nhiệt của dòng nhập liệu trong ống 70

5.3.5 Thiết bị gia nhiệt nhập liệu 74

5.3.5.1 Suất lượng hơi nước cần dùng: 74

5.3.5.2 Xác định bề mặt tuyền nhiệt 74

5.3.5.3 Hệ số cấp nhiệt của dòng nhập liệu ở ống trong 75

5.3.5.4 Hệ số cấp nhiệt của hơi nước: 77

5.3.6 Bồn cao vị 79

5.3.6.1 Tổn thất dọc đường ống 79

5.3.6.2 Tổn thất đường ống trong thiết bị trao đổi nhiệt của dòng nhập liệu và sản phẩm đáy 81

5.3.6.3 Tổn thất đường ống dẫn trong thiết bị gia nhiệt nhập liệu 82

5.3.7 Bơm nhập liệu 84

5.4 Lớp cách nhiệt 86

CHƯƠNG 6: TÍNH TOÁN CHI PHÍ 88

KẾT LUẬN 90

TÀI LIỆU THAM KHẢO 91

Hình 1-1 Đồ thị đường cân bằng hệ Aceton-nước ở 760mmHg 6

Hình 1-2 Hình dạng tháp mâm 8

Hình 1-3 Hình dạng cơ bản cảu mâm chóp và mâm xuyên lỗ 9

Hình 2-1 Sơ đồ quy trình công nghệ 11

Hình 3-1 Đồ thị quan hệ giữa β và Nlt(Rx+1) 17

Hình 3-2 Đồ thị xác định số mâm lý thuyết 18

Hình 4-1 Đáy nắp elip có gờ tiêu chuẩn [3] 35

Hình 4-2 Bích liền không cổ ghép thân, đáy và nắp 37

Hình 4-3 Bích liền không cổ ghép ống dẫn với thiết bị [3] 38

Hình 4-4 Chân đỡ tháp (trang 437, [3]) 44

Hình 4-5 Tai treo của thiết bị thằng đứng (trang 438, [3]) 45

Bảng 1-1 Số liệu cân bằng lỏng hơi của hệ acetone- nước ở 760mmHg [1] 5

Bảng 1-2 Ưu và nhược điểm của 2 loại mâm trong tháp 9

Bảng 3-1 Số liệu tính toán tỷ số hoàn lưu thích hợp 16

Bảng 4-1 Thông số bích ghép thân, đáy, nắp 37

Bảng 4-2 Thông số bích ghép ống nhập liệu 38

Bảng 4-3 Thông số bích ghép ống hơi ở đỉnh tháp 39

Bảng 4-4 Thông số bích ghép ống hoàn lưu 40

Bảng 4-5 Thông số bích ghép ống dẫn hơi vào tháp 41

Bảng 4-6 Thông số bích ghép ống dẫn chất lỏng ở đáy tháp 42

Bảng 4-7 Thông số bích ghép ống dẫn sản phẩm đáy 43

Bảng 4-8 Kích thước chân đỡ 45

Bảng 4-9 Kích thước tai treo tháp 45

Bảng 5-1: Tóm tắt thông số thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 56

Bảng 5-2: Tóm tắt thông số thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 62

Bảng 5-3: Tóm tắt các thông số nồi đun chất lỏng ở đáy tháp 66

Bảng 5-4: Tóm tắt thông số thiết bị trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu 73

Bảng 5-5: Tóm tắt thông số thiết bị gia nhiệt nhập liệu 78

Bảng 6-1 Chi phí sơ bộ của hệ thống chưng cất 88

1.1 Giới thiệu về nguyên liệu

1.1.1 Aceton

Acetone còn được gọi là Propan-2-one, có công thức phân tử làCH3COCH3 Nó là một chất lỏng không màu, trong suốt với mùi cay đặc biệt, acetonehòa tan trong nước và dung môi hưu cơ như: ethanol, ether, chloroform, pyridine.Acetone là chất lỏng dễ cháy, dễ bay hơi và phản ứng với nhiều hợp chất và đơn chấthóa học,

Acetone chủ yếu được sử dụng làm dung môi trong các ngành công nghiệpnhư chất nổ, nhựa, cao su, sợi, da, sơn phun… Ngoài ra, acetone còn được sử dụnglàm dung môi để làm sạch trong phòng thí nghiệm, đồng thời là một chất dùng để tổnghợp các chất hữu cơ và được sử dụng trong các thành phần hoạt chất của sơn móngtay

Các phương pháp sản xuất acetone chủ yếu bao gồm: phương phápisopropanol, phương pháp cumene, phương pháp lên men, phương pháp hydrat hóaacetylene và phương pháp oxy hóa trực tiếp propylene Sản xuất acetone ở quy môcông nghiệp trên thế giới bị chi phối bởi phương pháp cumene Hai phần ba lượngacetone trên thế giới là sản phẩm phụ của quá trình sản xuất phenol và là một trongnhững sản phẩm của quá trình oxy hóa cumene

Trong năm 2010, sản xuất axeton trên toàn thế giới đạt 6,7 triệu tấn, Với1,56 triệu tấn mỗi năm, Hoa Kỳ có sản lượng sản xuất cao nhất, tiếp sau là Đài Loan

và Trung Quốc, Nhà sản xuất acetone lớn nhất là INEOS Phenol, mỗi năm săn xuất17% lượng sản xuất của thế giới

 Là một dung môi tốt cho lớp phủ, chất kết dính, xi lanh thép, acetylene

 Được sử dụng như một chất pha loãng, chất làm sạch, tẩy rửa trong côngnghiệp

 Nó cũng là một nguyên liệu quan trọng để sản xuất anhydrid acetic, rượudiacetone, chloroform, iodoform, nhựa epoxy, cao su polyisoprene, methylmethacrylate

 Được sử dụng làm chất chiết trong các ngành công nghiệp như dầu và mỡ

 Dùng để điều chế monome plexiglass, bisphenol A, rượu diacetone, hexanediol,methyl isobutyl ketone, methyl isobutyl methoxide, phorone, isophorone,chloroform, iodoform…

 Acetone được sử dụng trong các ứng dụng y tế và mỹ phẩm khác nhau, Nócũng được xem là hợp chất trong phụ gia thực phẩm, bao bì thực phẩm và trongtẩy sơn móng tay

Tính chất hóa học của acetone

 Phản ứng với natri hydro sulfit (Na2HSO3) tạo thành một chất phụ gia tinh thểkhông màu

 Phản ứng với hydro xyanua tạo thành acetone cyanohydrin

 Acetone tương đối ổn định với chất oxy hóa, Nó không bị oxy hóa bởi axitnitric ở nhiệt độ phòng

 Phản ứng ngưng tụ lưỡng phân xảy ra với sự có mặt của một bazơ để tạo thànhrượu diacetone

 Phản ứng với Ca(OH)2 với natri alkoxide hoặc natri amide sản phẩm tạo thànhisophorone (3,5,5-trimethyl-2-cyclohexen-1-one)

 Ngưng tụ với một aldehyd hoặc ketone với sự có mặt của axit hoặc bazo để tạothành rượu keto, ketone không bão hòa và các sản phẩm nhựa

 Nó được ngưng tụ với phenol trong điều kiện axit để tổng hợp bisphenol-A,

 Nó phản ứng với dung dịch kiềm của hypohalite hoặc halogen để tạo thànhhaloform

 Acetone được thêm vào thuốc thử Grignard và sản phẩm bổ sung được thủyphân để thu được rượu bậc ba

1.1.2 Nước

Nước là hợp chất chiếm phần lớn trên bề mặt trái đất (3/4 diện tích bề mặttrái đất là nước), nước rất cần thiết cho sự sống Trong điều kiện bình thường nước làmột chất không màu, không mùi, không vị

có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực

Dựa vào tính chất vật lý của acetone như tan hoàn toàn trong nước, nhiệt độsôi của acetone (56,5℃ ở 760 mmHg) < nước (100 ℃ ở 760 mmHg), hệ này không cóđiểm đẳng phí, nên trong các phương pháp tách hỗn hợp chất thì phương pháp phù hợpnhất với hệ acetone – nước đó là phương pháp chưng cất

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

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

Đường cân bằng lỏng hơi của hỗn hợp Acetone-nước ở 760mmHg

1.2.1 Khái niệm về chưng cất

Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng cũng nhưhỗn hợp lỏng – khí thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của cáccấu tử trong hỗn hợp (nghĩa là khi ở cùng một nhiệt độ, áp suất hơi bão hòa của cáccấu tử khác nhau) Thay vì đưa vào hỗn hợp một pha mới để tạo nên sự tiếp xúc giữahai pha như trong quá trình hấp thu hoặc nhả khí, trong quá trình chưng cất, pha mớiđược tạo nên từ sự bốc hơi hoặc ngưng tụ

Trong quá trình chưng cất, dung môi và chất tan đều bay hơi, nghĩa là các cấu tửđều hiện diện trong cả hai pha nhưng với tỷ lệ khác nhau Trong trường hợp chưng cấtđơn giản hệ hai cấu tử, sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn hơn vàmột phần rất ít cấu tử có độ bay hơi bé Sản phẩm đáy gồm cấu tử có độ bay hơi bé vàmột phần rất ít cấu tử có độ bay hơi lớn Đối với hệ acetone – nước, sản phẩm đỉnhchủ yếu gồm acetone và rất ít nước, sản phẩm đáy chủ yếu là nước và rất ít acetone

Các phương pháp chưng cất thường được phân loại dựa vào áp suất làm việc (ápsuất thường, áp suất thấp, áp suất cao), nguyên lý làm việc (chưng cất đơn giản, chưngbằng hơi nước trực tiếp, chưng cất), dựa vào phương pháp cấp nhiệt (gián tiếp hay trựctiếp) Việc lựa chọn các phương pháp chưng cất tùy thuộc vào tính chất lý hóa của hệnguyên liệu

Đối với hệ acetone – nước ta chọn phương pháp chưng cất liên tục, cấp nhiệtgián tiếp bằng nồi đun ở áp suất thường

1.2.2 Tháp chưng cất

Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để thực hiện quá trìnhchưng cất, Tuy nhiên, yêu cầu cơ bản chung cho các thiết bị vẫn giống nhau, nghĩa làdiện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, phụ thuộc vào mức độ phân tán của lưu chấtnày trong lưu chất kia Nếu pha khí phân tán vào lỏng ta có các loại tháp mâm, nếu phalỏng phân tán vào pha khí ta có tháp chêm, tháp phun… Hai loại tháp thường dùnghiện nay là tháp mâm và tháp chêm, kích thước của tháp, đường kính tháp, chiều caotháp tùy thuộc vào suất lượng pha lỏng, pha khí và độ tinh khiết của sản phẩm

Tháp chêm: hình trụ gồm nhiều bậc nối với nhau bằng mặt bích hay hàn Vậtchêm được đổ đầy trong tháp theo một trong hai phương pháp là xếp ngẫu nhiên hayxếp thứ tự Vật chêm sử dụng gồm có nhiều loại khác nhau, phổ biến nhất là một số

loại vật chêm như: vòng Raschig, vật chêm vòng xoắn, vật chêm hình yên ngựa,

Hình 1-2 Hình dạng tháp mâm

Tùy theo cấu tạo của mâm ta có:

 Tháp mâm chóp: trên mâm có gắn chóp và ống chảy chuyền, ống chảychuyền có thể có tiết diện hình tròn, viên phân, một ống hay nhiều ống tùysuất lượng pha lỏng, Chóp có thể hình tròn hay một dạng khác,

 Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh, đường kính lỗ từ 3

÷12 mm, tổng tiết diện các lỗ trên mâm chiếm từ 8 ÷ 15% tiết diện tháp,Trong tháp mâm xuyên lỗ pha khí đi từ dưới lên qua các lỗ trên mâm vàphân tán vào lớp chất lỏng chuyển động từ trên xuống theo các ống chảychuyền, ống chảy chuyền được bố trí như ở tháp mâm chóp,

Hình 1-3 Hình dạng cơ bản cảu mâm chóp và mâm xuyên lỗ

Bảng 1-2 Ưu và nhược điểm của 2 loại mâm trong tháp

Đối với việc chưng cất hệ acetone – nước ta nên chọn tháp mâm xuyên lỗ, vì hệnày có độ chênh lệch nhiệt độ sôi khá lớn và hệ này không có điểm đẳng phí, việcphân riêng hệ này khá dễ nên không nhất thiết yêu cầu tháp mâm chóp có hiệu suấtlớn, Cấu tạo của tháp mâm xuyên lỗ không quá phức tạp và có thể làm việc được vớichất lỏng bẩn,

Mâm xuyên lỗMâm chóp

2.1 Công nghệ chưng cất acetone-nước

Acetone là một chất lỏng tan vô hạn trong nước, nhiệt độ sôi 56,05 ℃ ở 760mmHg, nhiệt độ sôi của nước là 100 ℃ ở 760 mmHg, hơi cách biệt khá xa nênphương pháp hiệu quả để thu acetone có độ tinh khiết cao là phương pháp chưng cất.Trong trường hợp này chúng ta không dùng phương pháp cô đặc vì các cấu tửđều bay hơi, và không sử dụng phương pháp trích ly cũng như phương pháp hấp thụ

do phải đưa vào một pha mới để tách, có thể làm cho quá trình phức tạp hơn hay quátrình tách không được hoàn toàn

2.2 Thuyết minh quy trình công nghệ

 Chú thích:

1 Bồn nhập liệu

2 Bơm

3 Bồn cao vị

4 Thiết bị trao đổi nhiệt giữa nhập liệu với sản phẩm đáy

5 Thiết bị gia nhiệt nhập liệu

Hỗn hợp acetone – nước có nồng độ 46% (theo khối lượng) tại bình chứa nguyênliệu (1) được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3) Hỗn hợp nhập liệu chảy từ bồn cao vịđến thiết bị trao đổi nhiệt (4), trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy đến nhiệt 54.051oC Hỗnhợp sau đó tiếp tục đi qua thiết bị gia nhiệt nhập liệu (5) để gia nhiệt đến nhiệt nhậpliệu 64.329oC Hỗn hợp sau đó được đưa vào tháp chưng cất (6) ở đĩa nhập liệu Trướckhi vào tháp chưng cất dòng nhập liệu đi qua lưu lượng kế để điều chỉnh lưu lượng vàotháp.

Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn cất của tháp chảyxuống, Trong tháp, hơi đi từ dưới lên gặp chất lỏng đi từ trên xuống, tại đây có sự tiếpxúc và trao đổi giữa hai pha với nhau Pha lỏng chuyển động trong phần chưng càngxuống dưới càng giảm nồng độ cấu tử dễ bay hơi vì bị pha hơi được tạo nên từ thiết bịgia nhiệt chất lỏng đáy tháp (11) lôi cuốn đi lên trên đỉnh tháp Nhiệt độ càng lên trêncàng 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 nồng độ cấu tử dễ bayhơi chiếm 96% (nồng độ phân khối lượng)

Dòng hơi ra khỏi đỉnh tháp được dẫn qua thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh (7) vàđược ngưng tụ hoàn toàn thành dòng lỏng nhưng vẫn ở nhiệt độ cao 57,626 Hỗnhợp lỏng này được cho qua bộ phận chỉnh dòng (8), một phần dòng lỏng ngưng tụ điqua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (9) được làm nguội đến 35oC, rồi được đưa quabồn chứa sản phẩm đỉnh (10) Phần còn lại của chất lỏng ngưng tụ được đưa hoàn lưu

về tháp ở đĩa trên cùng với tỷ số hoàn lưu tối ưu Ở phần dưới của tháp, một phần rất ítcấu tử có nhiệt độ sôi thấp (acetone) được bốc hơi và phần lớn cấu tử có nhiệt độ sôicao (nước) trong dòng lỏng ngày càng tăng Cuối cùng, ở đáy tháp ta thu được hỗn hợplỏng hầu hết là nước và một phần rất ít cấu tử dễ bay hơi (4% acetone)

Hỗn hợp sản phẩm đáy đi ra khỏi tháp vào thiết bị gia nhiệt chất lỏng(11),trong thiết bị này dung dịch lỏng một phần sẽ bốc hơi cung cấp lại cho tháp để tiếp tụclàm việc, phần còn lại ra khỏi nồi đun được dẫn đến thiết bị trao đổi nhiệt với dòngnhập liệu(4) Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là acetone, phần sảnphẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu có nhiệt độ là 50 được dẫn vềbồn chứa sản phẩm đáy(12)

3.1 Quy ước các ký hiệu và thông số

F, D, W: Lần lượt là hỗn hợp đầu vào, đỉnh và đáy, (Kmol/h)

GF: Lưu lượng hỗn hợp đầu vào, (L/h)

GD: lưu lượng sản phẩm đỉnh, (L/h), GW: lưu lượng sản phẩm đáy, (L/h),GR: lượng chất lỏng hoàn lưu, (L/h)

MF: khối lượng phân tử trung bình hỗn hợp đầu vào, Kg/Kmol

MD: khối lượng phân tử trung bình sản phẩm đỉnh, Kg/Kmol

MW: khối lượng phân tử trung bình sản phẩm đáy, Kg/Kmol

xF: nồng độ phần mol hỗn hợp đầu vào theo acetone, Kg/Kmol

xD: nồng độ phần mol hỗn hợp đỉnh theo acetone, Kg/Kmol

xW: nồng độ phần mol hỗn hợp đáy theo acetone, Kg/Kmol

x̅F: nồng độ phần khối lượng hỗn hợp đầu vào theo acetone, Kg/Kg, x̅ D:nồng độ phần khối lượng hỗn hợp đỉnh theo acetone, Kg/Kg, x̅W: nồng độ phầnkhối lượng hỗn hợp đáy theo acetone, Kg/Kg

yi: nồng độ phần mol của pha hơi ứng với nồng độ phần mol xi của phalỏng, Kmol/Kmol

yi*: nồng độ phần mol cân bằng của pha hơi ứng với nồng độ phần mol xicủa pha lỏng, Kmol/Kmol

A, N: lần lượt là ký hiệu của acetone và nước

MA, MN: lần lượt là khối lượng phân tử của acetone và nước, MA = 58; MN =18

3.2 Các thông số ban đầu

Năng suất nhập liệu 1500L/h

Nồng độ nhập liệu: x̅F = 46% khối lượng.

Nồng độ sản phẩm đỉnh: x̅D = 96% khối lượng.

Nồng độ sản phẩm đáy: x̅W = 4% khối lượng.

x D= x´D/M A

´

x D/M A+(1− ´x D)/M N=

0,96 /580,96/58+(1−0,96)/18=¿ 0,882

x W= x´W/M A

´

x W/M A+(1− ´x W) /M N=

0,04 /580,04/58+(1−0,04)/18=¿ 0,013

Do ta chọn trạng thái nhập liệu vào tháp chưng cất là trạng thái lỏng – sôi nên từ bảng cân bằng lỏng – hơi của hệ acetone – nước tại xF = 0,209 ta nội suy nhiệt độ nhậpliệu vào tháp chưng cất là tF = 64,329 ℃

Tra bảng I.249 [2] ta có khối lượng riêng của nước: ρN = 980,9 Kg/m3

Tra bảng I.2 [2] ta có khối lượng riêng của acetone: ρA = 739,1 Kg/m 3

Khối lượng riêng của hỗ hợp nhập liệu vào tháp

(1−0,46)980,9

=>ρ F=¿ 852,5924

Nên: GF = 1500 (L/h) × ρF (Kg/m3) = 1,5 × 852,5924 = 1278,8886(Kg/h)

Ta có: MF = xF × MA + (1−xF) × MN = 0,209 × 58 + (1 - 0,209) × 18 =26,3636 Kg/Kmol

Thế các giá trị vào hệ phương trình (1) ta được

{48,509568 ×0,209=D× 0,882+W ×0,013 48,509568=D+W =>{W=37,548579 Kmol/h D=10,960989 Kmol/h

MD = xD × M A+ (1−xD) × MN = 0,882×58 + (1 - 0,882) ×18 = 53,265306 Kg/Kmol

MW = xW × MA + (1−xW) × MN = 0,013×58 + (1-0,013) × 18 = 18,510638Kg/Kmol

GD = D × MD = 10,960989× 53,265306 = 583,84045(Kg/h)

GW = W × MW = 37,548579 ×18,510638 = 695,04816(Kg/h)

3.3.3 Các phương trình làm việc

Với xF = 0,209 từ đồ thị cân bằng ta được y* = 0,7965

3.3.3.1 Tỉ số hoàn lưu tối thiểu

Động lực của quá trình chưng cất được xác định thông qua hiệu số nồng độ giữađường cân bằng và đường làm việc theo pha hơi (∆y = y∗

− y) hay theo pha lỏng(∆x = ∗),

Ta có độ dốc của đường làm việc phần cất phụ thuộc vào chỉ số hoàn lưu R,Đường làm việc phần cất càng gần đường cân bằng thì chỉ số hoàn lưu càng nhỏ, Chỉ

số hoàn lưu tối thiểu là chỉ số có giá trị sao cho đĩa dưới cùng của phần cất (hay còngọi là đĩa tiếp liệu) tồn tại động lực truyền khối, tức hiệu số nồng độ ∆y = y∗

− ydương,

3.3.3.2 Tỉ số hoàn lưu thích hợp

Tỉ số hoàn lưu để thiết kế là tỉ số hoàn lưu ứng với chi phí là thấp nhất,được gọi là tỉ số hoàn lưu tối ưu, Khi tăng R thì số mâm sẽ giảm nhưng đường kínhtháp tăng, thiết bị ngưng tụ, công suất của bơm, nồi đun cũng tăng theo, Chi phí cốđịnh sẽ giảm rồi tăng đến vô cực khi hoàn lưu toàn phần, lượng nước và lượng nhiệtcũng tăng theo tỉ số hoàn lưu,

R th=β × R min

Tổng chi phí gồm chi phí cố định và chi phí vận hành sẽ đi qua điểm tối thiểuứng với tỉ số hoàn lưu khi đó gọi là tối ưu, Thông thường tỉ số hoàn lưu tối ưu bằng 1,2đến 1,5Rmin,

Khảo sát β từ1 đến 3 với khoảng nhảy 0,1 ta được bảng số liệu sau

1,1 0,202901 1,202901 10 12,02900698

1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3 0

2 4 6 8 10

Vậy chỉ số hoàn lưu thích hợp là Rth = 0,20901 với β = 1,4

3.3.3.3 Phương trình làm việc phần chưng

ychưng = 0,20901+4,425656

0,20901+1 x −

(4,425656−1)×0,0130,20901+1 = 3,847829x – 0,036355

3.3.3.4 Phương trình đường làm việc phần cất

3.5.1 Xác định hiệu suất trung bình của tháp η tb

Độ bay hơi tương đối của cấu tử dễ bay hơi

α= y

¿

1− y¿× 1−x

x

Trong đó:

x: là phần mol của acetone trong pha lỏng,

y*: là phần mol của acetone trong pha hơi cân bằng với pha lỏng,

Tra bảng I.102 (trang 94, [2]) độ nhớt của nước ta có μN = 0,445 x 10-3 Ns/m2

Tra bảng I.101 (trang 91, [2]) độ nhớt của acetone ta có μA = 0,224 x 10-3 Ns/m2

Độ nhớt của hỗn hợp lỏng tại vị trí nhập liệu:

lgμF = xF × lgμ A + (1-xF) × lgμN

Suy ra: μF = 0,385503 x 10-3 Ns/m2

Tra hình IX.11 trang 171 ta có ηF = 0,32

3.5.1.2 Tại vị trí mâm đáy

xW = 0,013 ta có y* W = 0,2948, tW = 94,254 oC

0,2948

1−0,2948×

1−0,0130,013 =33,328228

Tra bảng I.102 (trang 94, [2]) độ nhớt của nước ta có μN = 0,305 x 10-3 Ns/m2

Tra bảng I.101 (trang 91, [2]) độ nhớt của acetone ta có μA = 0,179 x 10-3 Ns/m2

Độ nhớt của hỗn hợp lỏng tại vị trí nhập liệu:

1−0,9227×

1−0,8820,882 =1,6026

Tra bảng I.102 (trang 94, [2]) độ nhớt của nước ta có μN = 0,488 x 10-3 Ns/m2

Tra bảng I.101 (trang 91, [2]) độ nhớt của acetone ta có μA = 0,234 x 10-3 Ns/m2

Độ nhớt của hỗn hợp lỏng tại vị trí nhập liệu:

lgμF = xF × lgμA + (1-xF) × lgμN

Suy ra: μF = 0,25527 x 10 -3 (Ns/m2)

Tra hình IX.11 trang 171 ta có ηW = 0,334

3.5.1.4 Hiệu suất trung bình

4.1 Đường kính tháp, Dt

(IX.89, IX.90 trang 181, [3])

Trong đó:

Vtb: lượng hơi trung bình đi trong tháp (m3/h)

ωtb: tốc độ hơi trung bình đi trong tháp (m/s)

gtb: lượng hơi trung bình đi trong tháp (Kg/h)

ρytb: khối lượng riêng trung bình của pha hơi (Kg/h)

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng và đoạn cất khác nhau Do đó, đườngkính đoạn chưng và đoạn cất cũng khác nhau

4.1.1 Đường kính đoạn cất

Lượng hơi trung bình đi trong tháp

(IX.91 trang 181, [3])Trong đó:

gd: lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (Kg/h)

g1: lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn cất (Kg/h)

(IV.1)Trong đó

Gl: lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn cất (Kmol/h)

rl: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất của đoạn cất (KJ/Kmol)

rd: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi ra ở đỉnh tháp (KJ/Kmol)

Tra bảng I.250 [2] ta có: rND = 2362,26524(KJ/Kg) = 42520,7743 (KJ/Kmol)

Tra bảng I.212 [2] ta có: rAD = 521,151093 (KJ/Kg) = 30226,7634 (KJ/Kmol)

4.1.1.4 Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp ở đoạn cất

Tốc độ giới hạn hơi đi trong tháp với mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền

Trong đó:

ρxtb: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng ở đoạn cất (Kg/m3).

ρytb: khối lượng riêng trung bình của pha hơi ở đoạn cất (Kg/m3)

Để tránh tạo bọt ta chọn tốc độ hơi trung bình đi trong tháp bằng 80% tốc độ giớihạn hơi đi trong tháp

ωtb = 0,8 × ωgh = 0,8 × 1,013 = 0,8101 (m/s) Đường kính đoạn cất:

D cất=0,0188 ×√1,907251× 0,8101676,534845 =0,3934 0,4 (m)

4.1.2 Đường kính đoạn chưng

Lượng hơi trung bình đ trong tháp

(IX.96 trang 182, [3])

Trong đó:

g’n: lượng hơi ra khỏi đoạn chưng (Kg/h)

g′l: lượng hơi đi vào đoạn chưng (Kg/h)

4.1.2.1 Xác định g’ n

g’n = g1 = 12,678058 (Kmol/h) = 629,108721 (Kg/h)

Theo IX.98 - 100 trang 182, [3] ta có hệ phương trình:

(IV.2)Trong đó:

G′l: lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn chưng (Kmol/h)

r′l: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng(KJ/Kmol)

g′1 = 11,090922(Kmol/h) = 233,830424 (Kg/h)Vậy

g tb=g ' n+g '1

629,108721+233,830424

4.1.2.4 Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp ở đoạn chưng

Tốc độ giới hạn hơi đi trong tháp với mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền

Trong đó:

𝜌′𝑥𝑡𝑏: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng ở đoạn chưng (Kg/m3)

𝜌′𝑦𝑡𝑏: khối lượng riêng trung bình của pha hơi ở đoạn chưng (Kg/m3)

=>ω gh=0,05 ×√883,7219681,373658 =1,2682 (m/s)

Để tránh tạo bọt ta chọn tốc độ hơi trung bình đi trong tháp bằng 80% tốc độ giớihạn hơi đi trong tháp

ωtb = 0,8 × ωgh = 0,8 × 1,2682 = 1,0146 (m/s) Đường kính đoạn cất:

D cất=0,0188 ×√1,373658× 1,0146431,469572 =0,3308 0,34 (m)

Kết luận: hai đường kính đoạn chưng và đoạn cất không chênh lệch nhau quá

lớn nên ta chọn đường kính của toàn tháp là: Dt = 0,4 (m)

4.2.1 Cấu tạo mâm lỗ

Chọn tháp mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền

Tổng diện tích lỗ bằng 8% diện tích mâm

Đường kính lỗ dl = 3 mm = 0,003 m

Khoảng cách giữa hai tâm lỗ bằng 2.5 lần đường kính lỗ (bố trí theo hình lục giácđều)

Diện tích dành cho ống chảy chuyền và gờ chảy tràn bằng 20% diện tích mâm

Tỷ lệ bề dày mâm và đường kính lỗ là 2/3

Mâm được làm bằng inox SUS304

Giải phương trình ta được: a = 21, N = 1387

Số lỗ trên một đường chéo: b = 2a+1 = 43 lỗ

Vậy ta chọn số lỗ trên một mâm là 1387 lỗ, bố trí lỗ theo hình lục giác đều

4.2.2 Độ giảm áp của pha khí qua mâm

4.2.2.1 Độ giảm áp qua mâm khô

Độ giảm áp qua mâm khô được tính dựa trên cơ sở tổng thất áp suất do dòngchảy đột thu, đột mở và do ma sát khi pha khí chuyển động qua lỗ

u0: vận tốc pha hơi qua lỗ (m/s)

ρl: khối lượng riêng của pha lỏng (Kg/m3)

C0: hệ số thắc dòng phụ thuộc vào tỷ số tổng diện tích lỗ với diện tích làmviệc của mâm và tỷ số giữa bề dày mâm với đường kính lỗ

Khối lượng riêng của pha hơi: ρG = ρytb = 1,907251 (Kg/m3)

Khối lượng riêng của pha lỏng: ρ1 = ρxtb = 782,302205 (Kg/m3)

 Độ giảm áp qua mâm khô ở phần cất

h k=51×(C u2o2)× ρ G

ρ1=51×

9,7946320,732 ×

1,907251782,302205=22.383806(mm chất lỏng)

 Đối với phần chưng

Vận tốc hơi qua lỗ

u '0=ω' lv

8 %

0,6938520,08 =8,67316 (m/ s)

Khối lượng riêng của pha hơi: ρG = ρ’ytb = 1,373658 (Kg/m3)

Khối lượng riêng của pha lỏng: ρ1 = ρ’xtb = 883,721968 (Kg/m3)

 Độ giảm áp qua mâm khô ở phần chưng

883,721968=11.190304(mm chất lỏng)

4.2.2.2 Độ giảm áp do chiều cao mực chất lỏng

Phương pháp đơn giản để ước tính độ giảm áp của pha hơi qua mâm do lớpchất lỏng trên mâm (hl) là tính từ chiều cao gờ chảy tràn (hW), chiều cao tính toán củalớp chất lỏng bọt trên gờ chảy tràn (hOW) và hệ số sục khí β

= 10%

hl = β × (hW + hOW) (mm chất lỏng) (5,17 trang 120, [4])

Ta chọn β = 0,6

Chiều cao gờ chảy tràn hW = 50 mm

Chiều cao tính toán của lớp chất lỏng trên gờ chảy tràn được tính từ phương trìnhFrancis với gờ chảy tràn phẳng

h ow=43,4 ×(q L

L w)2/ 3(mm) (5,18 trang 120, [4])Trong đó:

qL: lưu lượng của chất lỏng (m3/phút)

Lw: chiều dài hiệu dụng của gờ chảy tràn (m)

 Xác định L w

Diện tích dành cho ống chảy chuyền và gờ chảy tràn là 20% diện tích mâm, nên

ta có phương trình sau:

Trong đó:

n0: góc ở tâm chắn bởi chiều dài đoạn LW

Giải phương trình ta được: n0 = 93o12’

Suy ra: LW = Dt × sin(n0/2) = 0,4 × sin(93o12′/2) = 0,29064 (m)

σ: sức căng bề mặt của chất lỏng (dyn/cm)

ρl: khối lượng riêng của chất lỏng (Kg/m3)

Tra bảng I.249 trang 311, [2]: ta có sức căng bề mặt của nước: σ’NL= 625,110255(dyn/cm)

Tra bảng I.242 trang 301, [2]: ta có sức căng bề mặt của acetone: σ’AL=16,181563 (dyn/cm)

∑h t=10× 426,427194+13 × 486,021066=10582,5428(N /m2)

4.2.3 Kiểm tra khả năng hoạt động của tháp

4.2.3.1 Kiểm tra ngập lụt khi hoạt động

Chọn khoảng cách giữa hai mâm, với đường kính tháp bằng 0,4 m là: h m â m=0,25

m ¿250 mm

Bỏ qua sự tạo bọt trong ống chảy chuyền, chiều cao mực chất lỏng của mâmxuyên lỗ được xác định theo biếu thức:

hd = hw + how + hl + hd’ (mm chất lỏng)Với: h d '=0,128 ×( Q L