THIẾT kế hệ THỐNG CHƯNG cất để CHƯNG cất hỗn hợp METHANOL ETHANOL

 Nội dung thực hiện: - Tổng quan về hỗn hợp Methanol - Ethanol; - Thiết kế quy trình chưng cất hỗn hợp Methanol - Ethanol; - Tính toán cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng; - Tính toá

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

Giảng viên hướng dẫn: TS VÕ THANH HƯỞNG Sinh viên thực hiện: NGÔ NGỌC KIM THƯ MSSV: 18021071

Lớp: DHVC14

Tp Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2022

BỘ CÔNG THƯƠNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAMTRƯỜNG ĐHCN TP HỒ CHÍ MINH Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI TÍNH TOÁN HỆ THỐNG

VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

KHOA: CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC

BỘ MÔN: MÁY & THIẾT BỊ

HỌ VÀ TÊN: NGÔ NGỌC KIM THƯ MSSV: 18021071 LỚP: DHHD15

1 Tên đề tài: Thiết kế hệ thống chưng cất để chưng cất hỗn hợp Methanol - Ethanol

2 Nhiệm vụ đề tài (yêu cầu về nội dung và số liệu ban đầu)

 Số liệu ban đầu:

- Năng suất theo nhập liệu: 1800 (kg/h);

- Nồng độ nhập liệu: 10 (% mol), sản phẩm đỉnh: 90 (% mol), sản phẩm đáy 5 (% mol);

- Các thông số khác tự chọn

 Nội dung thực hiện:

- Tổng quan về hỗn hợp Methanol - Ethanol;

- Thiết kế quy trình chưng cất hỗn hợp Methanol - Ethanol;

- Tính toán cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng;

- Tính toán thiết kế tháp chưng cất;

- Bản vẽ quy trình công nghệ (giấy A1);

- Bản vẽ chi tiết tháp chưng cất (giấy A1)

3 Ngày giao nhiệm vụ đề tài: 20/10/2022

4 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 25/11/2022

5 Họ và tên người hướng dẫn: ThS Võ Thanh Hưởng

Tp Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 10 năm 2022

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến trường Đại học Công nghiệp

Thành phố Hồ Chí Minh đã đưa bộ môn “Thực hành tính toán hệ thống và thiết kế thiết bị côngnghệ hoá học ” vào chương trình giảng dạy

Với tình cảm sâu sắc và chân thành nhất, em xin gửi đến quý Thầy Cô ở Khoa Công nghệHóa học đã truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho em trong suốt thời gian học tập tại trường Nhờ

có những lời hướng dẫn, dạy bảo tận tình của các thầy cô giúp em có thêm nhiều kiến thức và bàihọc quý giá trong cuộc sống

Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi đến giảng viên bộ môn- Thầy Võ Thanh Hưởng,người đã dày công truyền đạt kiến thức và hướng dẫn em Trong suốt quá trình học tập và tìmhiểu em đã nhận được sự giúp đỡ, hướng dẫn rất tận tình từ thầy Những kiến thức em được họchỏi từ thầy là nền tảng cho em hoàn thành bài báo cáo này

Tuy nhiên, do kiến thức và thời gian nghiên cứu có hạn nên bài báo cáo của em khó tránhkhỏi những sai sót Do đó, em rất mong nhận được sự nhận xét, ý kiến, phê bình từ phía thầy đểkiến thức của em trong lĩnh vực này được hoàn thiện hơn.Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn

và xin kính chúc thầy dồi dào sức khoẻ, hạnh phúc và thành công trên con đường sự nghiệpgiảng dạy

Em xin chân thành cảm ơn!

TP Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2022

Sinh viên thực hiện

(Ghi rõ họ và tên)

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

Phần đánh giá: (thang điểm 10)

 Thái độ thực hiện:

 Nội dung thực hiện:

 Kỹ năng trình bày:

 Tổng hợp kết quả:

Điểm bằng số: …… … Điểm bằng chữ:

TP Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 20.…

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN

TP Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 20…

Giảng viên phản biện

Mục lục

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về chưng cất:

1.1.1 Giới thiệu về chưng cất:

Chưng cất là quá trình dùng để tiến hành phân tách các hỗn hợp lỏng, khí và khí- khí thành các cấu tử riêng biệt dựa vào sự khác nhau về độ bay hơi của cáccấu tử trong hỗn hợp

Số lượng sản phẩm chưng cất phụ thuộc vào số cấu tử có trong hỗn hợp Đối vớitrường hợp hỗn hợp hai cấu tử ta có: sản phẩm đỉnh gồm các cấu tử có độ bay hơi lớn vàmột phần rất ít các cấu tử có độ bay hơi thấp, sản phẩm đáy gồm cấu tử có độ bay hơithấp và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi lớn

Trong quá trình chưng cất, pha hơi đi từ dưới lên, pha lỏng chảy di chuyển từ trênxuống Nồng độ các cấu tử thay đổi theo chiều cao của tháp, nhiệt độ làm việc cũng thayđổi tương úng với sự thay đổi nồng độ Trên mỗi đĩa xảy ra quá trình chuyển khối giữahai pha lỏng và hơi, một phần pha lỏng (phần lớn cấu tử dễ bay hơi) bốc hơi di chuyển từpha lỏng vào pha hơi; một phần pha hơi (phần lớn cấu tử khó bay hơi) ngưng tụ dichuyển từ pha hơi vào pha lỏng, quá trình lặp lại với nhiều lần bốc hơi và ngưng tụ nhưvậy ở đỉnh tháp ta thu được phần lớn cấu tử dễ bay hơi và ở đáy tháp ta thu được phầnlớn cấu tử khó bay hơi

1.2 Các phương pháp và thiết bị chưng cất:

1.2.1 Các phương pháp chưng cất:

Chưng cất đơn giản (dùng thiết bị hoạt động theo chu kỳ):

Khi nhiệt độ sôi của các cấu tử khác xa nhau

- Khi không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao

- Tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi

- Tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử

Chưng cất liên tục hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục): là quá trình đượcthực hiện liên tục, nghịch dòng, nhiều đoạn

Ngoài ra còn có thiết bị hoạt động bán liên tục

1.2.2 Các 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 nghĩa là diện tích bề mặt tiếp

xúc pha phải lớn, điều này phụ thuộc vào mức độ phân tán của một lưu chất này vào lưuchất kia Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta có các loại tháp mâm, nếu pha lỏng phântán vào pha khí ta có tháp chêm, tháp phun, … Ở đây ta khảo sát 2 loại thường dùng làtháp mâm và tháp chêm

 Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có cấu tạo khácnhau, trên đó pha lỏng và pha hơi được cho tiếp xúc với nhau Tùy theo cấu tạo của đĩa,

ta có:

 Tháp mâm chóp: trên mâm bố trí có chóp dạng tròn, xupap, chữ s…

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

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

- Trở lực thấp

- Làm việc được với chất lỏng bẩn nếu dùng đệm cầu có    củachất lỏng

-Khá ổn định

- Hiệu suất cao

Trở lực tương đốithấp

- Hiệu suất khá cao

Nhược

điểm Do có hiệu ứng thành  hiệu suấttruyền khối thấp

- Độ ổn định không cao, khó vận hành

- Do có hiệu ứng thành  khi tăng năng suất thì hiệu ứng thànhtăng  khó tăng năng suất

- Thiết bị khá nặng nề

Có trở lực lớn

- Tiêu tốn nhiềuvật tư, kết cấuphức tạp

Không làm việc đượcvới chất lỏng bẩn

- Kết cấu khá phứctạp

Bảng 1.1 Ưu nhược điểm của các loại tháp

Vậy: ta sử dụng tháp mâm chóp để chưng cất hệ Methanol – Ethanol

1.3 Nguyên liệu:

1.3.1 Methanol:

Methanol, cũng được gọi là rượu methylic, alcohol methylic là một hợp chất hóahọc với công thức phân tử C H 3O H hay CH4O (thường viết tắt MeOH) Đây là rượu đơngiản nhất, nhẹ, dễ bay hơi, không màu, dễ cháy chất lỏng với một mùi đặc trưng, rấtgiống, nhưng hơi ngọt hơn ethanol

Methanol là cồn công nghiệp, rất độc, uống lượng nhỏ gây mù mắt, nhiều hơn có thể tửvong Cồn methanol được điều chế từ gỗ nên còn được gọi là "cồn gỗ" Cồn dùng trongphòng thí nghiệm là cồn công nghiệp có chứa nhiều methanol Tuyệt đối không đượcuống cồn công nghiệp hoặc dùng cồn công nghiệp thay rượu uống

tert- Methanol là loại dung môi phổ biến sử dụng trong phòng thí nghiệm, đặc biệtdùng để chạy sắc ký lỏng, nâng cap HPLC, chaỵ phổ UV-VIS

 Methanol công nghiệp được dùng trong xử lý nước thải sinh hoạt, nước thải côngnghiệp

 Ứng dụng làm pin nhiên liệu cung cấp hydrogen

 Sử dụng phổ biến trong sản xuất formalin, andehit formic và axit axetic,

1.3.2 Ethanol:

Ethanol, còn được biết đến như là rượu etylic, alcohol etylic, rượu ngũ cốc hay cồn, làmột hợp chất hữu cơ nằm trong dãy đồng đẳng của alcohol, dễ cháy, không màu, là mộttrong các rượu thông thường có trong thành phần của đồ uống chứa cồn Etanol là mộtalcohol mạch hở, công thức hóa học của nó là C H O hay C H OH.₂ ₆ ₂ ₅

Các phương pháp sản xuất:

 Hydrate hoá ethylene

 Lên men

 Làm tinh khiết

CHƯƠNG 2: SƠ ĐỒ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT

3.1 Cân bằng vật chất toàn hệ thống:

3.1.1 Các thông số ban đầu:

 Năng suất nhập liệu: 1800 (kg/h)

F_Suất lượng nhập liệu kmol h

xF_ phần mol nhập liệu kmolhh kmol

P_ Suất lượng sản phẩm đỉnh kmol h

W_Suất lượng sản phẩm đáy kmol h

xD_ phần mol sản phẩm đỉnh kmolhh kmol

xW_ phần mol sản phẩm đáy kmolhh kmol

Khối lượng phân tử trung bình dòng sản phẩm đáy:

M W =M M x w +M E .(1−x w)=32.0,05+46.(1−0,05)=45,3 kg kmol

3.1.3 Suất lượng mol của các dòng:

Ta có: F= F M

F= 180044,6=40,36 kmol h Cân bằng vật chất toàn tháp: F= P+W (1)

Cân bằng cấu tử aceton: F.xF = P.xD + W.xW (2)

Thành phần cân bằng lỏng (x), hơi (y) tính bằng %mol và nhiệt độ sôi của hỗn hợphai cấu tử ở 760 mmHg (Methanol – Ethanol):

Bảng 3.2: Số liệu cân bằng lỏng hơi của hệ Methanol và Ethanol

 Chỉ số hồi lưu tối thiểu (Rmin):

Do nhập liệu ở trạng thái lỏng bão hòa, nên Rmin được xác định như sau:

Rmin = x D − y F¿

y¿F −x F tra công thức IX.24 trang 158

Theo bảng cân bằng lỏng – hơi của hệ Acetone – Etanol:

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

X

Ta có: xF = 0,1  yF* = 0,143

Vậy chỉ số hồi lưu tối thiểu được xác định:

Rmin = x D−¿ F¿

y F¿−x F= 0,9−0,1430,143−0,1=¿¿17,6

xD _nồng độ phần mol của Methanol trong pha lỏng ở sản phẩm đỉnh

xF_ nồng độ phần mol của Methanol trong pha lỏng ở hỗn hợp đầu

y* _nồng độ phần mol của Methanol trong pha hơi nằm cân bằng pha lỏng ở hỗnhợp đầu

Đồ thị 3.2: Đồ thị thể hiện số mâm lí thuyết tại b=1,2

Đồ thị 3.3: Đồ thị thể hiện số mâm lí thuyết tại b=1.4

Đồ thị 3.4: Đồ thị thể hiện số mâm lí thuyết tại b=1.6

Đồ thị 3.5: Đồ thị thể hiện số mâm lí thuyết tại b=1.8

Đồ thị 3.6: Đồ thị thể hiện số mâm lí thuyết tại b=2

Bảng 3.3: Mối quan hệ giữa chỉ số hồi lưu và số đĩa lý thuyết

Đồ thị 3.7: Đồ thi biểu diễn mối quan hệ giứa N và N.(R+1)

Từ Đồ thị 3 7 ta thấy được giá trị nhỏ nhất được thể hiện là 436,05, tương ứngvới chỉ số hồi lưu tối ưu R= 24,65 và số mâm lý thuyết Nlt= 17

3.1.5 Phương trình đường làm việc:

 Phương trình đường làm việc phần cất:

400 420 440 460 480 500 520

442.6 436.05

466.72 490.35

y= R

x D R+1 (XI.20 trang 144 [2])

Sơ đồ 3.1: Xác định hiệu xuất trung bình của thiết bị

Tra độ nhớt của Methaol và Ethanol tại sổ tay thiết bị tập 1 bảng I.101, ta có:

Tra độ nhớt của Acetone và Etanol tại sổ tay thiết bị tập 1 bảng I.101, ta có:

Tra độ nhớt của Acetone và Etanol tại sổ tay thiết bị tập 1 bảng I.101 ta có

Ta có α μ hh=0,67 tra giản đồ IX.11 trang 171 [2] ta có: η W ≈ 54%

3.1.5.2 Hiệu suất trung bình của thiết bị:

3.2 Cân bằng vật chất cho từng thiết bị:

3.2.1 Cân bằng vật chất cho thiết bị gia nhiêt E-101:

Hình 3.1: Thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu

∑Dòng vào=∑Dòng ra

Dòng 1 + dòng 2 = dòng 3 + dòng nước ngưng ra + tổn thất

Chọn dòng nước gia nhiệt có áp suất 2 bar ta có:

r D =2208 kJ kg Tra sổ thay thiết bị tập 1 bảng I.149

Dòng 4 + dòng nước lạnh vào = dòng 5 + dòng nước lạnh ra + tổn thất

 Tại dòng 4: x P M =0,9 kmol kmolhh x P E =0,1 kmol kmolhh

Dòng 7 + dòng nước lạnh vào = dòng 8 + dòng nước lạnh ra + tổn thất

 Tại dòng 7: x P M= 0,9 kmolhh kmol  x P E= 0,1 kmolhh kmol

¿79,158 ×24,65+79,158=2030,403 kg h

Tại vị trí hỗn hợp mâm nhập liệu

Nhiệt hoá hơi của Methanol và Ethanol ta có:

Trong đó G1:l ượ ngl ỏng ở đĩ athứ nhấ t củađ oạnc ấ t

r1:ẩ nnhiệ t ho áh ơ ic ủa hố nhợ phơ i đ i v ào đĩ athứ nhấ t củ a đ oạnc ấ t

r đỉ nh :ẩ nnhiệ t hoáhơ i củah ỗnhợ phơ iđ irakh ỏ iđỉ nhth á p

g đỉnh: lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của thápkg h

g1: lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn cất kg h

3.2.6 Lượng hơi ra khỏi đáy tháp:

Ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng

Tra nhiệt hoá hơi của Methanol và Ethanol tại sổ tay thiết bị tập 1 bảng I.212 ta có:

g’n: lượng hơi ra khỏi đoạn chưng kg h

3.2.7 Cân bằng vật chất cho thiết bị nồi đun Kettel E-104:

Hình 3.5: Nồi đun Kettle

kg(hơi nước bão hoà ở nhiệt độ 30℃)

 h2=1107649,97 J kg (hơi nước bão hoà ở nhiệt độ 45℃)

 Cho tổn thất ra môi trường là 5% nhiệt lượng cung cấp

Chương 4: Cân bằng năng lượng

4.1 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt nhập liệu:

Hình 4.6: Thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu

Qnl = F ×CF× ( t Fr −t Fv¿+Qmnl

Trong đó:

Qnl nhiệt lượng cần cung cấp để gia nhiệt nhập liệu kJ h

F lưu lượng khối lượng hỗn hợp nhập liệu kg h

𝐶p𝐹 là nhiệt dung riêng hỗn hợp nhập liệu kg.℃ J

C M T 50,75 là nhiệt dung riêng của Methanol ở t= 50,75℃ kg.℃ J

C E T 50,75là nhiệt dung riêng của Ethanol ở t= 50,75℃ kg.℃ J

t Fr , t Fvnhiệt độ nhập liệu vào và ra khỏi thiết bị ℃

Qmnl nhiệt mất mát ở thiết bị gia nhiệt nhập liệu kJ h

XF = 10% = 0.28 t s F =76,5 ℃

Cho nhiệt độ nhập liệu là 25℃

Nhiệt độ trung bình của dòng nhập liệu

Qnt nhiệt lượng cần cung cấp để ngưng tụ sản phẩm đỉnhkJ h

P lưu lượng khối lượng hỗn hợp dòng sản phẩm đỉnh kg h

𝐶pP là nhiệt dung riêng hỗn hợp sản phẩm đỉnh kg.℃ J

CN là nhiệt dung riêng của nước kg.℃ J

r T 65,2 M là nhiệt hoá hơi của Methanol ở t=65,2℃ kJ kg

r T 65,2 E là nhiệt hoá hơi của Ethanol ở t=65,2℃ kJ kg

rD là nhiệt hoá hơi của hỗn hợp sản phẩm đỉnh kJ kg

t P nhiệt độ của dòng sản phẩm đỉnh ℃

Qmnt nhiệt mất mát ở thiết bị ngưng tụ dòng sản phẩm đỉnhkJ h

Chọn nhiệt độ nước giải nhiệt cho thiết bị ngưng tụ:

Qlnđỉnh nhiệt lượng cần cung cấp để làm nguội sản phẩm đỉnh kJ h

P lưu lượng khối lượng hỗn hợp sản phẩm đỉnhkg h

𝐶pW là nhiệt dung riêng hỗn hợp sản phẩm đỉnh kg.℃ J

C M T 47,6 là nhiệt dung riêng của Methanol ở t= 47,6 ℃ kg.℃ J

C E T 47,6là nhiệt dung riêng của Etanol ở t=47,6 ℃ kg.℃ J

t Pr , t Pvnhiệt độ sản phẩm đỉnh vào và ra khỏi thiết bị ℃

Qmlnđ nhiệt mất mát ở thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnhkJ hTại xD=0,9 thì tP = 65,2oC

Qlnđ nhiệt lượng cần cung cấp để làm nguội sản phẩm đáy kJ h

W lưu lượng khối lượng hỗn hợp sản phẩm đáy kg h

𝐶pW là nhiệt dung riêng hỗn hợp sản phẩm đáy kg.℃ J

C M T 53,96 là nhiệt dung riêng của Methanol ở t=53,96 ℃ kg.℃ J

C E T 53,96là nhiệt dung riêng của Ethanol ở t=53,96 ℃ kg.℃ J

t Wr ,t Wvnhiệt độ sản phẩm đáy vào và ra khỏi thiết bị ℃

Qmlnđ nhiệt mất mát ở thiết bị làm nguội sản phẩm đáy kJ h

4.5 Cân bằng nhiệt lượng cho toàn bộ tháp chưng cất:

QF + QK + QLo = QW + QP + Qnt + Qm (IX.156, trang 197 [2])

QF + Qđ = QW + QP + Qnt + Qm

Trong đó:

QF là nhiệt lượng do dòng nhập liệu mang vào kJ h

QP là nhiệt lượng dòng sản phẩm đỉnh mang ra kJ h

QW là nhiệt lượng dòng sản phẩm đáy mang ra kJ h

QLo là nhiệt lượng dòng hoàn lưu mang vào kJ h

QK là nhiệt lượng cung cấp cho nồi đun kJ h

4.5.1 Nhiệt lượng do dòng nhập liệu mang vào: