THỰC HÀNH TÍNH TOÁN hệ THỐNG và THIẾT kế THIẾT bị CÔNG NGHỆ HOÁ học THIẾT kế hệ THỐNG CHƯNG cất mâm hệ nước ACID ACETIC

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

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

THỰC HÀNH TÍNH TOÁN HỆ THỐNG VÀ THIẾT

KẾ THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC

THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG CẤT

MÂM HỆ NƯỚC - ACID ACETIC

Giảng viên hướng dẫn: ThS VÕ THANH HƯỞNG

Sinh viên thực hiện: NGUYỄN QUỐC VƯƠNG

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: NGUYỄN QUỐC VƯƠNG MSSV:18068621

1 Tên nhiệm vụ:

Tính toán hệ thống và thiết kế thiết bị tháp chưng cất hỗn hợp Nước –Acid acetic với năng suất nhập liệu là 1200 kg/h

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

- Tổng quan và quy trình công nghệ PFD

- Cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng cho toàn bộ hệ thống công nghệ PFD

- Tính toán chi tiết cho thiết bị chính

- Bản vẽ qui trình công nghệ PFD (1 bản A1)

- Bản vẽ chi tiết thiết bị chính (1 bản A1)

3 Ngày giao nhiệm vụ bài tập lớn

4 Ngày hoàn thành nhiệm vụ:

5 Họ và tên người hướng dẫn:

Tp Hồ Chí Minh, ngày 19 tháng 08 năm 2021.

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN(Ký và ghi rõ họ tên)

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến trường Đại học Côngnghiệp Thành phố Hồ Chí Minh đã đưa bộ môn “Thực hành tính toán hệ thống và thiết kếthiết bị công nghệ 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 Côngnghệ Hóa học đã truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho em trong suốt thời gian học tập tạitrường Nhờ có những lời hướng dẫn, dạy bảo tận tình của các thầy cô giúp em có thêmnhiều kiến thức và bài học quý giá trong cuộc sống

Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi đến giảng viên bộ môn- Ts Võ ThanhHưởng, người đã dày công truyền đạt kiến thức và hướng dẫn em Trong suốt quá trình họctập và tìm hiểu em đã nhận được sự giúp đỡ, hướng dẫn rất tận tình từ thầy Những kiếnthức em được học hỏi 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 khótránh khỏi những sai sót Do đó, em rất mong nhận được sự nhận xét, ý kiến, phê bình từphía thầy để kiến thức của em trong lĩnh vực này được hoàn thaiện hơn.Một lần nữa em xinchân thành cảm ơn và xin kính chúc thầy dồi dào sức khoẻ, hạnh phúc và thành công trêncon đường sự nghiệp giảng dạy

Em xin chân thành cảm ơn!

TP Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2021

Sinh viên thực hiện

(Ghi họ và tên)

3

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

(Ký ghi họ và tên)

5

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về chưng cất

1.1.2 Giới thiệu về chưng cất

Chưng cất là quá trình dùng để tiến hành phân tách các hỗn hợp lỏng- lỏng, lỏng- khí

và khí- khí thành các cấu tử riêng biệt dựa vào sự khác nhau về độ bay hơi của các cấu tửtrong 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 hơi thấp

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 giữa haipha lỏng và hơi, một phần pha lỏng (phần lớn cấu tử dễ bay hơi) bốc hơi di chuyển từ phalỏng vào pha hơi; một phần pha hơi (phần lớn cấu tử khó bay hơi) ngưng tụ di chuyển từpha hơi vào pha lỏng, quá trình lặp lại với nhiều lần bốc hơi và ngưng tụ như vậy ở đỉnhtháp ta thu được phần lớn cấu tử dễ bay hơi và ở đáy tháp ta thu được phần lớn cấu tử khóbay 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 quátrình được thực hiện liên tục, nghịch dòng, nhiều đoạn Ngoài ra còn có thiết

bị hoạt động bán liên tục

Trong trường hợp này, do sản phẩm là Nước – với yêu cầu có độ tinh khiết

cao khi sử dụng, cộng với hỗn hợp Nước- Acid acetic là hỗn hợp không có điểmđẳng

phí nên chọn phương pháp chưng cất liên tục là hiệu quả nhất

7

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 tiếpxúc 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 là thápmâm và tháp chêm

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 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 xếp thứ tự

Bảng 1.1 Ưu nhược điểm của các loại tháp

lỗ

Nhược điểm Do có hiệu ứng thành hiệu suất Có trở lực lớn Không làm việc

truyền khối thấp - Tiêu tốn nhiều được với chất lỏng

- Độ ổn định không cao, khó vật tư, kết cấu bẩn.

phức tạp

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

- Thiết bị khá nặng nề

Vậy: ta sử dụng tháp mâm chóp để chưng cất hệ Nước – Acid acetic

8

1.3 Nguyên liệu

1.3.1 Acid acetic

Acid acetic hay còn gọi là axit ethanoic là một chất lỏng không màu và là axit hợpchất hữu cơ với công thức hóa học CH3COOH Axeton là một chất lỏng dễ cháy, khôngmàu, bay hơi nhanh và có mùi đặc trưng

Nước tan trong nước và là dung môi chủ yếu dùng để làm sạch trong phòng thínghiệm, đồng thời là một chất dùng để tổng hợp các chất hữu cơ và được sử dụng trongcác thành phần hoạt chất của sơn móng tay

Acid acetic được tổng hợp trong phòng thí nghiệm nhưng cũng có ở thiên nhiên nhưtrong không khí, nước uống, ruộng đất

Trong cơ thể con người Acid acetic được sản xuất và thải ra thông qua quá trình traođổi chất và thường có trong máu và nước tiểu Nó được tạo ra từ các cơ quan và quá trìnhchuyển hóa thực phẩm và được nước tiểu thải ra ngoài Nếu Nước không được đào thải vìmột lý do nào đó thì có thể gây choáng do lúc này, axit trong máu lên cao

Các tính chất vật lý của Acid acetic:

Khối lượng phân tử: 58,08 g/mol

Nhiệt độ sôi: 56 °C

Nhiệt độ nóng chảy: -95 °C

Các phương pháp sản xuất:

Axeton được sản xuất trực tiếp hoặc gián tiếp từ propen

Sản xuất trực tiếp bằng cách oxy hóa hay hidro hóa propen, sinh ra 2 – propanol (isopropanol) và khi oxi hóa isoprropanol sẽ được axeton

Đôi khi được sản xuất dưới dạng sản phẩm phụ của công nghiệp chưng cất

Ứng dụng của Acid acetic:

Dùng làm dung môi công nghiệp để sản xuất chất dẻo, nhựa, plastic, sản xuất sơn,…

Dùng để pha loãng nhựa polyester và được dung trong một số chất tẩyrửa Dùng làm hoá chất trung gian để tổng hợp metyl metacrilat vàbisphenol A Dùng trong phòng thí nghiệm

Dùng trong y dược và kỹ thuật làm đẹp

1.3.2 Nước

Trong điều kiện bình thường, nước là chất lỏng không màu, không mùi, không vị,nhưng khối nước dày dầy có màu xanh nhạt Khi hóa rắn nó có thể tồn tại ở 5 dạng tinh thểkhác nhau

- Khối lượng riêng: 1 (g/mol)

- Nhiệt độ nóng chảy: 0oC

CHƯƠNG 2 SƠ ĐỒ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

2.1 Thuyết minh quy trình

Hỗn hợp Nước - Acid acetic có năng suất nhập liệu là 1200kg/h và có nồng độ Acidacetic ban đầu là 10% phần mol, nhiệt độ dòng nhập liệu ban đầu tại bể chứa là 25 oC Hỗnhợp được bơm từ bể chứa lên dòng số 1- dòng nhập liệu, sau đó hỗn hợp đi qua thiết

10

bị gia nhiêt E-101 và được gia nhiệt bằng dòng hơi nước có nhiệt độ khoảng 120oCđến nhiệt độ sôi, rồi được đưa vào tháp chưng cất ở đĩa nhập liệu.

Trên đĩa nhập liệu, phần lỏng của hỗn hợp chứa phần lớn cấu tử có bay hơi vàmột phần nhỏ cấu tử dễ bay hơi sẽ chảy xuống đáy tháp và pha hơi của hỗn hợp-chứa phần lớn cấu tử dễ bay hơi và một phần nhỏ cấu tử khó bay hơi sẽ bay lên đỉnhtháp Tại đây pha hơi di chuyển theo hướng từ dưới lên sẽ gặp pha lỏng đi theochiều từ trên xuống, lúc này 2 pha sẽ có sự tiếp xúc và trao đổi giữa 2 pha Pha lỏngchuyển động trong phần chưng càng xuống dưới thì nồng độ cấu tử dễ bay hơi cànggiảm Dòng lỏng khi di chuyển xuống dưới đáy tháp sẽ đi theo ống số 9 và vào nồiđun Kettle E-104 Từ nồi đun, dòng hỗn hợp sẽ được gia nhiệt đến nhiệt độ bay hơi

và đi theo ống số 8 vào tháp Phần còn lại sẽ di chuyển từ nồi đun Kettle ra dòng số

12 và qua thiết bị làm nguội dòng sản phẩm đáy E-105 và ra bể chứa sản phẩm đáyV-104 Bể chứa sản phẩm đáy V-104 có nồng độ cấu tử Acid acetic 95% Pha hơiđược tạo từ nồi đun sẽ lôi cuốn các cấu tử dễ bay hơi di chuyển lên đỉnh tháp Nhiệt

đô khi càng lên cao thì càng thấp, nên pha hơi khi di chuyển từ dưới lên thì cấu tửAcid acetic có nhiệt độ sôi cao hơn sẽ ngưng tụ lại và rơi xuống, phần còn lại củapha hơi sẽ di chuyển lên đỉnh tháp qua ống số 4 và đến thiết bị ngưng tụ E-102 Ởđây dòng hơi sẽ được ngưng tụ thành dòng lỏng tiếp đến hỗn hợp ở đỉnh tháp sẽđược đưa vào bể chứa hỗn hợp hoàn lưu dòng sản phẩm đỉnh V-102 Từ bể chứa thìmột phần hỗn hợp sẽ được hoàn lưu về tháp, phần còn lại sẽ di chuyển theo dòng số

6 đến thiết bị làm nguội dòng sản phẩm đỉnh E-103 để hạn nhiệt độ dòng đỉnh

chứa thì nồng độ Acid acetic chiếm 90% trong hỗn hợp đỉnh

 Chọn: Nhiệt độ nhập liệu: 25 C Ký hiệu:

h

xF_ phần mol nhập liệu

kmol kmolhh

kg kmol

12

13

Bảng 3.2: Số liệu cân bằng lỏng hơi của hệ Nước -Acid acetic

Chỉ số hồi lưu tối thiểu

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

y¿F −x F

công thức IX.24 trang 158 [2]

Theo bảng cân bằng lỏng – hơi của hệ Nước-Acid acetic:

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

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

y*F _nồng độ phần mol của Acid acetic trong pha hơi nằm cân bằng pha lỏng ở hỗn

hợp đầu

Chỉ số hồi lưu R:

Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp dựa vào điều kiện thể tích tháp nhỏ nhất tức là tương

đương với Ni (Rx+1) nhỏ nhất (Nl: Số bậc thay đổi nồng độ lý thuyết)

RX = bi RXmin

Với bi là hệ wwwwwwwwwww hồi lưu lớn thì tháp có thấp đi nhưng đường kính lại lớn,

sản phẩm đỉnh có hiệu suất không cao Xác định RX thích hợp theo số bậc thay đổi nồng độ

được tiến hành như sau: Cho lần lượt các giá trị bi tương ứng với bi [1,2 ÷ 2] ta được R

tương ứng theo công thức RX = bi RXmin, sau đó ta thu được các giá trị N tương ứng

15

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

Chart Title

350 300 250 200 150 100 50 0

13 13.5 14 14.5 15 15.5 16 16.5 17 17.5 12.5

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 210.84, tương ứng với

chỉ số hồi lưu tối ưu R= 21.06 và số mâm lý thuyết Nlt= 14

3.1.5 Phương trình đường làm việc:

 Phương trình đường làm việc phần cất:

23

Tra độ nhớt của Nước và Acid acetic tại sổ tay thiết bị tập 1 bảng I.101 ta có

24

Tại vị trí hỗn hợp mâm nhập liệu

Nhiệt hoá hơi của Nước và acid acetic ta có:

25

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

r 1: 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 củahỗnhợ phơ iđ irakh ỏiđỉ nh th á p

g đỉnh: lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp kg

1

=248,298kg

kg h

3.2.2 Lượng hơi ra khỏi đáy tháp

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

g’n: lượng hơi ra khỏi đoạn chưng

kg h

xác định g’1: từ hệ phương trình cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng sau:

CHƯƠNG 4 CHƯƠNG CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG

4.1 Số liệu ban đầu

- Nhiệt độ ban đầu của nhập liệu: to = tF = 25oC

- Nhiệt độ sau khi làm nguội sản phẩm đỉnh: tP = 30oC

- Nhiệt độ sau khi làm nguội sản phảm đáy: tW = 30oC

- Nhiệt độ sôi tra tại bảng 1X.2a Cân bằng lỏng – hơi trang 145 Sổ tay QTTB tập 2

Với xF = 0,1 → Nhiệt độ sôi của dòng nhập liệu tsF = 113,8oC Với xP

= 0,9 → Nhiệt độ sôi của dòng sản phẩm đỉnh tsP = 100,6oC Với xW

= 0,05 → Nhiệt độ sôi của dòng sản phẩm đáy tsW = 115,4oC

- Nhiệt độ nước vào thiết bị ngưng tụ, làm nguội sản phẩm: tnv = 25oC

- Nhiệt độ nước vào thiết bị ngưng tụ, làm nguội sản phẩm: tnr = 40oC

4.2 Cân bằng năng lượng trong thiết bị gia nhiệt nhập liệu

FLưu lượng nhập liệu (Kg/h)

CF nhiệt dung riêng của hỗn hợp ở tF (J/kg.K)

tF nhiệt độ đầu hỗn hợp nhập liệu (oC)

- Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào Qnv1 :

Q nv1=D nv λ3 =D ( r3+θ3 C3 ) (J/h)Trong đó:

D lượng hơi đốt cần dùng (Kg/h)

λ 3nhiệt lượng riêng (hàm nhiệt) của hơi đốt (J/Kg) r3 ẩn nhiệt hoá hơi (J/Kg)

θ3 nhiệt độ nước ngưng ¿)

C3 nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg.K)

- Nhiệt do hỗn hợp đầu mang ra Q2:

Q2=F C sF t sF (J/h)Trong đó:

FLưu lượng nhập liệu (Kg/h)

CsF nhiệt dung riêng của hỗn hợp ở tsF (J/kg.K)

tsF nhiệt độ sôi của hỗn hợp nhập liệu (oC)

- Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra Qnr1:

Q nr4 =G nr 1 C nr 1 θ r1=D nr θ nr1 C nr 1 (J/h)TrongG đó:

4 Lượng nước ngưng, bằng lượng hơi đốt D 1 (kg/h)

- Nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh lấy bằng 5% nhiệt tiêu tốn:

- Năng suất nhập liệu: F= 1200 (kg/h)

- Hơi đốt là hơi nước bão hòa có Ptđ = 2 at, tra bảng I.251 trang 314 số tay QTTB tập 1:

Nhiệt hóa hơi của hơi nước bão hòa: r D = 2208.103 (J/kg)

- Tại tsF = 113,8oC tra bảng I.154 trang 172 sổ tay QTTB tập 1:

 Nhiệt dung riêng của Acid acetic: CA = 2502,45 (J/kg.độ)

 Nhiệt dung riêng của Nước: CN = 4261,05 (J/kg.độ)

Nhiệt dung riêng của hỗn hợp tại nhiệt độ tsF = 113,8oC:

C sF =x F C N +(1−x F ) C A =0,032 4261,05+(1−0,032) 2502,45

- Tại tF = 25oC tra bảng I.154 trang 171t sổ tay QTTB tập 1:

 Nhiệt dung riêng của Acid acetic: CA = 2020,5 (J/kg.K)

 Nhiệt dung riêng của Nước: CN = 4178.75 (J/kg.K) Nhiệt dung riêng của hỗn hợp tại nhiệt độ tF = 28oC:

C F =x F C A +(1−x F ) C N =0,032 2020,5+(1−0,032).4178,75

30

4.3 Cân bằng năng lượng trong tháp chưng cất

Phương trình cân bằng năng lượng:

Năng lượng ra = Năng lượng vào

lưu lượng lỏng hồi lưu: G R =P R (kg/h)

t R: nhiệt lượng dònh lỏng hồi lưu: t R =t sP

Nhiệt lượng hơi đốt đi vào thiết bị nồi đun đáy tháp E-104:

C sWnhiệt dung riêng của hỗn hợp đáy (J/kg.K) t sW nhiệt độ sản phẩm đáy (℃¿

Nhiệt lượng nước ngưng mang ra khỏi thiết bị nồi đun đáy tháp:

Q nr3=D nr3 C nr 3 t nr3(J/h)Trong đó:

D nr 3Lượng nước ngưng tụ (kg/h), bằng lượng hơi đốt mang vào nồi đun Dnr

C nr Nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg.K)

t nrNhiệt độ nước ngưng tụ (oC)Nhiệt lượng tổn thức ra môi trường Q tt lấy bằng 5% nhiệt tiêu tốn ở đỉnh tháp

Q tt =0,05 Q nv 3=0,05 D nv3 r nv3(J/h)Lượng hơi đốt cần dùng cho thiết bị nồi đun:

Tại tR = tsP = 100,6oC tra bảng I.154 trang 171 sổ tay QTTB tập 1:

 Nhiệt dung riêng của Acid acetic: CA = 2433,15 (J/kg.K)

 Nhiệt dung riêng của Nước: CN = 4231,35 (J/kg.K)

Nhiệt dung riêng của hỗn hợp tại nhiệt độ tR = tsP = 100,6oC:

Tại tsP = 100,6oC tra bảng I.212 trang 254 sổ tay QTTB tập 1:

 Nhiệt hóa hơi của Acid acetic : rA = 406119,6 (J/kg)

 Nhiệt hóa hơi của Nước: rN = 225505,2 (J/kg) Nhiệt lượng riêng của