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 trạng thái lỏng sôi

Tên đề tài: Thiết kế hệ thống chưng cất hệ Acetone– nước bằng tháp mâm xuyên lỗ nhập liệu ở trạng thái lỏng sôi.. Tên đề tài: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG CẤT HỆ ACETONE – NƯỚC BẰNG THÁP MÂM

i

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT 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 TRẠNG THÁI LỎNG SÔI

Giáo viên hướng dẫn: TS Phạm Hoàng Huy Phước Lợi

Sinh viên thực hiện :

Phạm Thành Trung - 19128095

Phạm Phương Hiền - 19128031

Năm học 2021 - 2022

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM KHOA 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: TS Phạm Hoàng Huy Phước Lợi

Họ và tên sinh viên thực hiện: MSSV

1.Phạm Phương Hiền 19128031

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: 2000kg/h

− Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong nhập liệu: 20%kl

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

− Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy: 0.005%

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

1-2 bản vẽ thiết bị chính (khổ giấy A1)

5 Ngày giao nhiệm vụ:

6 Ngày nộp đồ án:

TP.HCM, ngày 21 tháng 06 năm 2022

Phạm Hoàng Huy Phước Lợi

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 MÔN HỌC: ĐỒ THIẾT KẾ MÁY THIẾT BỊ - HỌC KỲ 2 – NĂM HỌC 2021 – 2022 MÃ MÔN HỌC: PWPD322703 1 GVHD: TS Phạm Hoàng Huy Phước Lợi 2 Sinh viên: Phạm Phương Hiền 3 MSSV:19128031 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 STT Nội dung Thang điểm Điểm số 1 Xác định được đối tượng và yêu cầu thiết kế 0 – 1,0 2 Lập qui trình công nghệ và tính toán được các chi tiết thiết bị 0 – 2,5 3 Đánh giá được sự phù hợp, điểm mạnh, yếu của thiết kế 0 – 0,75 4 Lập được kế hoạch triển khai thực hiện thiết kế 0 – 0,75 5 Lập được bản vẽ với phần mềm chuyên dụng 0 – 2,5 6 Hoàn thành thuyết minh thiết kế đầy đủ, chính xác và logic 0 – 1,0 7 Hoàn thành trách nhiệm cá nhân trong nhóm 0 – 0,75 8 Thực hiện đúng kế hoạch công việc được GV giao 0 – 0,75 TỔNG ĐIỂM (Bằng chữ: Chính điểm chẵn) 10 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 BIỆN MÔN HỌC: ĐỒ THIẾT KẾ MÁY THIẾT BỊ - HỌC KỲ 2 – NĂM HỌC 2021 - 2022 MÃ MÔN HỌC: PWPD322703 1 GVPB:

2 Sinh viên: Phạm Phương Hiền 3 MSSV:19128031 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: 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…… năm 2022

Người phản biện ( Ký & ghi rõ họ tên)

Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý thầy, cô phản biện Cảm ơn quý thầy, cô

đã dành thời gian để xem xét và chỉ ra những thiếu sót của chúng em trong thực hiện đồ án giúp chúng em tích lũy thêm kinh nghiệm, kiến thức để có thể tiến bộ hơn trong tương lai Trong quá trình hoàn thành đồ án không thể tránh khỏi những sai sót, em rất mong nhận được sự góp ý và chỉ dạy từ quý thầy, cô

Em xin chân thành cảm ơn!

Mục lục

LỜI MỞ ĐẦU 6

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 7

1.1 Hỗn hợp acetone – nước 7

1.1.1 Acetone 7

1.1.1.1 Điều chế 8

1.1.1.2 Ứng dụng 8

1.1.2.Nước 9

1.1.3.Hỗn hợp acetone - nước 9

CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 12

2.1 Sơ đồ quy trình công nghệ 12

2.2 Thuyết minh về quy trình công nghệ 12

CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT 13

3.1 Giả thuyết: 13

3.1.1 Yêu cầu thiết bị: 13

3.1.2 Các thông số ban đầu: 13

3.1.3 Các ký hiệu được sử dụng: 13

3.1.4 Tính toán các dòng cân bằng vật chất 14

3.2 Xác định chỉ số hồi lưu 15

3.2.1 Chỉ số hoàn lưu tối thiểu: 15

3.2.2 Phương trình làm việc và xác định số mâm 16

3.2.2.1 Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất: 16

3.2.2.2 Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng: 17

CHƯƠNG 4: CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG 21

4.1 Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng cất 21

4.1.1 Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào tháp QF 21

4.1.2 Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp QD2 21

4.1.3 Nhiệt lượng do lưu lượng lỏng hồi lưu mang vào 21

4.1.4 Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra Qw: 22

4.1.5 Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra Qng2 23

4.1.6.Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh Qxq2: 23

4.2 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 24

4.3 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 24

4.4 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun sôi dòng nhập liệu: 24

CHƯƠNG 5 : TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH 29

5.1 Kích thước tháp chưng cất 29

5.1.1 Đường kính của tháp Dt 29

5.1.2 Đường kính đoạn cất 29

5.1.3 Đường kính đoạn chưng 32

5.2 Cấu tạo mâm lỗ 35

5.2.1 Trở lực của đĩa khô 36

5.2.2 Trở lực do sức căng bề mặt: 37

5.2.3 Trở lực thủy tĩnh do chất lỏng trên đĩa tạo ra: 38

5.2.4 Tổng trở lực thuỷ lực của tháp: 40

5.2.5 Kiểm tra hoạt động của mâm: 41

5.3 Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động: 41

5.4 Tính toán cơ khí của tháp 43

5.4.1 Chiều cao thân tháp 43

5.4.2 Chiều cao đáy (nắp) 43

5.4.3 Tính toán cơ khí của tháp: 43

5.4.4 Bích ghép thân, đáy và nắp: 46

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

5.5 Tai treo và chân đỡ 54

5.5.1 Tính trọng lượng của toàn tháp: 54

5.5.2 Chân đỡ tháp 55

5.5.4 Kính quan sát 57

CHƯƠNG 6 : TÍNH THIẾT BỊ PHỤ 58

6.1 Thiết bị nhiệt 58

6.1.1 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 58

6.1.1.1 Suất lượng nước làm lạnh cần dùng 58

6.1.1.2 Hiệu số nhiệt độ trung bình logarit 59

6.1.1.3 Hệ số truyền nhiệt K 59

6.1.1.4 Bề mặt truyền nhiệt trung bình 63

6.1.2 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 64

6.1.2.1 Xác định bề mặt truyền nhiệt: 65

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

6.1.3 Thiết bị gia nhiệt nhập liệu 70

6.1.3.1 Xác định hệ số truyền nhiệt 71

6.1.3.2 Xác định bề mặt truyền nhiệt và cấu tạo thiết bị 75

6.1.4 Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy 75

6.1.4.1 Xác định hệ số truyền nhiệt 76

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

6.2 Bồn cao vị 81

6.2.1 Tổn thất đường ống dẫn 81

6.3.2.Tổn thất đường ống dẫn đoạn qua thiết bị đun sôi nhập liệu 84

6.3.3 Chiều cao bồn cao vị 86

6.4 Bơm 87

6.4.1 Năng suất 87

6.4.2 Cột áp 87

6.4.2 Công suất 91

KẾT LUẬN 92

TÀI LIỆU THAM KHẢO 93

Phụ lục Bảng

Bảng 1 1: Một số thông số vật lý của Acetone 7

Bảng 1 2: Một số tính chất vật lý của nước 9

Bảng 1 3 Bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ của hỗn hợp acetone - nước ở P=1atm 10

Bảng 3 1 Tóm tắt các số liệu tính toán cân bằng vật chất 15

Bảng 3 2 Tổng hợp các thông số về Độ nhớt, Hiệu suất và nhiệt độ 20

Bảng 4 1 Bảng tóm tắt cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng cất 23

Bảng 4 2 Bảng tóm tắt cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun sôi dòng nhập liệu 27

Bảng 4 3 Tổng kết các giá trị cần xác định Chương 3 27

Bảng 5 1 Thông số bích ghép thân đáy và nắp 47

Bảng 5 2 Thông số bích ghép ống nhập liệu 49

Bảng 5 3 Thông số bích ghép ống dẫn hơi đỉnh tháp 50

Bảng 5 4 Thông số bích ghép ống hoàn lưu 51

Bảng 5 5 Thông số bích ghép ống dẫn hơi vào đáy tháp 52

Bảng 5 6 Thông số bích ghép ống dẫn chất lỏng ở đáy tháp 53

Bảng 5 7 Thông số bích ghép ống dẫn chất lỏng từ nồi đun sản phẩm đáy 54

Bảng 5 8: Các kích thước của chân đỡ 55

Bảng 5 9: Các kích thước của tấm lót tai treo bằng thép 56

Bảng 5 10 Các kích thước của tay treo 56

Bảng 6.1 Thông số của hệ ở ttb D = 51,6°C 62

Bảng 6.2 Thông số của hệ ở ttb D = 48,75°C 65

Bảng 6.3 Thông số của hệ ở tw1 = 41,5oC 68

Bảng 6.4 Thông số của hệ ở ttb F = 47,3°C 61

Bảng 6.5 Thông số sau tại ttb W = 93,91℃ 74

Bảng 6.6 Thông số của hệ tại ts = 94,81℃ 79

Bảng 6.7 Thông số của hệ ở ttb F = 47,25°C 82

Bảng 6.8 Thông số của hệ ở tF = 30oC 87

Phụ lục hình

Hình 1.1: Công thức cấu tạo acetone 7

Hình 1 2: Đồ thị x-y của hệ Acetone nước 10

Hình 1 3: Đồ thị T-x, y của hệ acetone – nước 11

Hình 3 1 Giản đồ x – y của hệ Acetone – Nước và tiếp tuyến 16

Hình 3 2 Giản đồ cân bằng lỏng hơi và số mâm lý thuyết \ của hệ Acetone – Nước 17

Hình 3 3 Xác định hiệu suất trung bình của thiết bị 18

Hình 5 1 Gờ chảy tràn 39

Hình 5 2 Bề dày đáy, nắp thiết bị 46

Hình 5 3 Bích ghép thân và đáy, nắp 47

Hình 5 4 Bích ghép các ống dẫn 48

Hình 5 5: Chân đỡ 55

Hình 5 6: Hình ảnh của tai treo 56

6

LỜI MỞ ĐẦU

Trong các ngành công nghiệp phát triển nhất ở nước ta không thể không kể đến ngành công nghiệp hóa học Ngành khai thác và sản xuất hóa chất cũng như tạo ra các chế phẩm hóa học đang được đẩy mạnh, một số sản phẩm từ hóa học yêu cầu các nhà sản xuất phải sử dụng các nguyên liệu có độ tinh khiết cao để phù hợp với quy trình sản xuất cũng như nhu cầu sử dụng của người tiêu dùng

Có rất nhiều phương pháp để nâng cao độ tinh khiết, các phương pháp đang được sử dụng phổ biến hiện nay là: chưng cất, trích ly, cô đặc, hấp thu, … Tùy theo đặc tính của từng chất mà

ta lựa chọn phương pháp cho thích hợp Đối với hệ Acetone – nước là hai cấu tử tan lẫn hoàn toàn vào nhau, ta dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho Acetone, đây là phương pháp cổ điển và được sử dụng phổ biến trong hệ này

Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị là môn học mang tính chất thực tế dựa trên các kiến thức được tích lũy trong quá trình học tập của các kỹ sư hóa học tương lai Môn học giúp sinh viên biết cách giải quyết các vấn đề tính toán cụ thể về: yêu cầu công nghệ, cấu tạo, giá thành của một hệ thống thiết bị sản xuất hóa chất Đây là bước đầu tiên để sinh viên vận dụng những kiến thức đã học vào giải quyết các vấn đề kỹ thuật thực tế một cách tổng quát

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Hỗn hợp acetone – nước

1.1.1 Acetone

1.1.1.1 Tính chất vật lý, hóa học

Acetone hay propanone là chất hữu cơ có công thức phân tử C3H6O, có công thức cấu tạo

như hình 1.1

Hình 1.1 Công thức cấu tạo của acetone

Ở điều kiện thường, acetone là chất lỏng, không màu, dễ bay hơi, dễ cháy và có mùi hăng đặc trưng Acetone có khả năng hòa tan vô hạn trong nước và tan trong một số hợp chất hữu cơ như methanol, ethanol, chloroform, diethyl ether, benzene,

Bảng 1.1 Một số thông số vật lý của acetone

Khối lượng riêng, kg/m3 (25 oC) 784,85

Nhiệt dung riêng, Kcal/mol (102 oC) 22

Về tính chất hóa học, acetone có nhóm carbonyl chưa no, có khả năng tham gia cộng hợp ái nhân với các nguyên tử hoặc các nhóm nguyên tử có đôi điện tử tự do, hoặc các anion như OH-, RO-, CN-, H2O, HSO3Na,

1 ether khan

2 H3O+

CH3COCH3 + RMgX CH3C(OH)(R)CH3 + Mg(OH)X CH3COCH3 + NaHSO3 → CH3C(OH)(CH3)SO3Na

Phản ứng aldol hóa:

OH- CH3COCH3 CH3COCH2C(OH)(CH3)CH3 Phản ứng khử:

CH3COCH3 + H2 → CH3CH(OH)CH3 Phản ứng oxy hóa:

CH3COCH3 + 4[O] → CH3COOH + CO2 + H2O

1.1.1.2 Điều chế

Quá trình cumen:

Oxy hóa propan-2-ol:

Nhiệt phân muối Calcium acetate:

(CH3COO)2Ca → CaO + CO2 + CH3COCH3

formaldehyde, chất béo, cao su, acetone được dùng làm dung môi trong sơn, sơn mài, vecni, mực in, Acetone là nguyên liệu để tổng hợp thủy tinh hữu cơ, methyl methacrylate, bisphenol A, Từ Acetone có thể tổng hợp ceten, sumfonat thuốc ngủ, các holofom

1.1.2 Nước

Ở điều kiện thường, nước là chất lỏng, không màu, không mùi, không vị Khi hóa rắn, nước có thể tồn tại ở các dạng khác nhau

Bảng 1.2 Một số tính chất vật lý của nước

Khối lượng riêng, kg/m3 (25 oC) 996,9

Nước chiếm diện tích lớn nhất trái đất (3/4 diện tích) và rất cần cho sự sống của con người và sinh vật Nước là dung môi quan trọng, có độ phân cực mạnh nên hòa tan tốt nhiều chất phân cực khác nhau Nước rẻ, an toàn Vì thế, nước là dung môi quan trong trong công nghiệp, đặc biệt là ngành kỹ thuật hóa học

1.1.3 Hỗn hợp acetone - nước

Acetone tan vô hạn trong nước.Ở áp suất khí quyển, nhiệt độ sôi của acetone (56,9 oC)

và nước (100 oC) cách nhau một khoảng nhiệt độ tương đối lớn Để tách acetone ra khỏi hỗn hợp không thể dùng cô đặc, trích ly hay hấp thụ vì acetone và nước đều có khả năng bay hơi Khi thêm một cấu tử vào hệ, quá trình tách trở nên phức tạp hơn và không thể tách hoàn toàn Vì thế, ta dùng phương pháp chưng cất để tách acetone và nước

Bảng 1.3 Bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ của hỗn hợp acetone - nước

ở P=1atm (Đơn vị: x, y % phần mol, T: oC)

y 0 60,3 72,0 80,3 82,7 84,2 85,5 86,9 88,2 90,4 94,3 100

2 69,6 64,5 64,5 61,6 60,7 59,8 59,0 58,2 57,5 56,9

Hình 1.2 Đồ thị x-y của hệ acetone – nước

Hình 1.3 Đồ thị T-x,y của hệ acetone – nước

CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

2.1 Sơ đồ quy trình công nghệ (đính kèm)

2.2 Thuyết minh về quy trình công nghệ

Tại bồn chứa nguyên liệu (1), hỗn hợp acetone – nước có nồng độ 20% theo số mol của acetone ở nhiệt độ 30oC được bơm (2) bơm vào bồn cao vi (3)và sau đó được đưa vào thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu [ống lồng ống] (5) để gia nhiệt ban đầu cho dòng nhập liệu (tận dụng phần nhiệt của sản phẩm đáy) Tại đây, dòng nhập liệu trao đổi nhiệt với hơi nước bão hòa có

áp suất 2at, gia nhiệt dòng nhập liệu đến nhiệt độ sôi của hỗn hợp 64,5 oC Trước khi vào thiết

bị trao đổi nhiệt (5), lưu lượng của dòng nhập liệu được đo và điều khiển qua bộ điều khiểu lưu lượng (4) để duy trì lưu lượng dòng nhập liệu 2000 kg/h Sau đó, dòng nhập liệu được dẫn vào tháp chưng cất (8) tại vị trí nhập liệu, mâm số 4 Khi vào tháp chưng cất (8), chất lỏng được hệ thống phân phối lỏng phân phối đều xuống phần chưng Trong tháp, lỏng và hơi chuyển động ngược dòng, lỏng đi từ trên xuống dưới tiếp xúc và trao đổi nhiệt với hơi đi từ dưới lên Các cấu tử dễ bay hơi (acetone) còn lẫn trong pha lỏng được thiết bị gia nhiệt sản phẩm đáy ( nồi đun Kettle) (13) đun nóng đến nhiệt độ sôi và bay hơi hoàn lưu lại tháp chưng cất Đồng thời, khi pha lỏng chuyển động từ trên xuống trong phần chưng, acetone bị pha hơi lôi cuốn làm cho nồng độ acetone trong pha lỏng càng giảm Khi càng lên trên, nhiệt độ càng thấp Các cấu tử có nhiệt độ cao hơn (nước) sẽ bị ngưng tụ khi đi qua các đĩa, rớt xuống đáy tháp Vì thế, phần đỉnh tháp sẽ thu được hỗn hợp chứa đa phần acetone (có nồng độ 90% theo

số mol) Hơi đi ra khỏi tháp chưng cất được dẫn vào thiết bị ngưng tụ (9) để ngưng tụ hoàn toàn sản phẩm đỉnh Các khí không ngưng tụ được xả qua van xả Sau khi ngưng tụ, sản phẩm đỉnh được chứa trong bồn phân phối lỏng (10) Tại đây, sản phẩm đỉnh được hồi lưu về tháp chưng cất và được phân phối điều ở đĩa trên cùng với tỷ số hồi lưu 0,509 Một phần sản phẩm đỉnh được dẫn qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (11) đến nhiệt độ phòng Tiếp đến, sản phẩm đỉnh sẽ được chứa trong bồn chứa sản phẩm đỉnh (12) Sau khi hồi lưu, acetone trong dòng lưu được pha hơi lôi cuốn, còn nước sẽ rơi xuống phần đáy tháp Phần đáy tháp thu được chứa đa phần là nước Cuối cùng, sản phẩm đáy chứa ở bồn chứa sản phẩm đáy (15) Hệ thống hoạt động liên tục thu được acetone ở phần đỉnh, còn sản phẩm đáy sau khi được trao đổi hệ với dòng nhập liệu được thải bỏ

CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT 3.1 Giả thuyết:

- Hỗn hợp nhập liệu vào tháp ở trạng thái lỏng sôi

- Số mol pha hơi đi từ dưới lên là bằng nhau trong tất cả mọi tiết diện của tháp

- Số mol chất lỏng không thay đổi theo chiều cao đoạn chưng và đoạn cất

- Chất lỏng ngưng tụ trong thiết bị ngưng tụ có thành phần bằng thành phần của pha hơi

đi ra khỏi đỉnh tháp

3.1.1 Yêu cầu thiết bị:

- Thiết bị làm việc ở áp suất thường P=1 atm

- Loại tháp chưng cất: Tháp mâm xuyên lỗ

3.1.2 Các thông số ban đầu:

- Hỗn hợp ban đầu: acetone - nước ở 30 oC

- Suất lượng nhập liệu: 2000 kg/h

- Nồng độ phần mol của acetone trong hỗn hợp nhập liệu: 20%

- Nồng độ phần mol của acetone trong sản phẩm đỉnh: 90%

- Nồng độ phần mol của acetone sản phẩm đáy: 0,5%

3.1.3 Các ký hiệu được sử dụng:

- F và GF: là lưu lượng của dòng nhập liệu theo kmol/h và kg/h

- D và GD: là lưu lượng của sản phẩm đỉnh theo kmol/h và kg/h

- W và GW: là lưu lượng của sản phẩm đáy theo kmol/h và kg/h

- x̅̅̅: Phân khối lượng Ethanol trong dòng nhập liệu F

- x̅̅̅:Phân khối lượng Ethanol trong sản phẩm đỉnh D

- x̅̅̅̅: Phân khối lượng Ethanol trong sản phẩm đáy W

3.1.4 Tính toán các dòng cân bằng vật chất

Phân mol Acetone trong dòng nhập liệu: xF = 0,2

Phân mol Acetone trong dòng sản phẩm đỉnh: xD = 0,90

Phân mol Acetone trong dòng sản phẩm đáy: xW= 0,005

Phân khối lượng Acetone trong dòng nhập liệu:

x̅ =F xF.58

xF.58+(1−xF).18= 0,20.58

0,20.58 + (1 - 0,20).18 = 0,446 (Phân khối lượng)

Phân khối lượng Acetone của dòng sản phẩm đỉnh:

x̅̅̅ =D xD.58

xD.58+(1−xD).18= 0,90.58

0,90.58 + (1 - 0,90).18 = 0,967 (Phân khối lượng)

Phân khối lượng Acetone của dòng sản phẩm đáy:

x̅̅̅̅ =W xW.58

xW.58+(1−xW).18= 0,005.58

0,005.58 + (1 - 0,05).18 = 0,016 (Phân khối lượng)

Phân tử lượng trung bình:

MD = xD MC3H6O+ (1 − xD) MH2O = 0,90.58 + (1 − 0,90).18 = 54,0 (kg/kmol)

MF = xF MC3H6O+ (1 − xF) MH2O = 0,20.58 + (1 − 0,20).18 = 26,0 (kg/kmol)

MW = xW MC3H6O+ (1 − xW) MH2O = 0,005.58 + (1 − 0,005).18 = 18,2 (kg/kmol) Suất lượng dòng nhập liệu (tính theo kmol/h)

F = GF

MF =

2000

26 = 76,92 (kmol/h) Khối lượng riêng trung bình của dòng sản phẩm đỉnh:

ρD = x̅̅̅ ρD acetonel+ (1 − x̅̅̅) ρD nước

= 0,90.784,85 + (1 − 0,90).996,9 = 806,055 (kg/m3)

Với: ρacetone: Khối lượng riêng của Acetone nguyên chất ở 25 oC

ρnước: Khối lượng riêng của nước cất ở 25 oC

x̅̅̅: Phân khối lượng Acetone trong sản phẩm đỉnh D

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

F = D + W (1)

F.xF = D.xD + W.xW (2)

Từ (1) và (2) ta có hệ phương trình

{F = D + W

F xF = D xD + W xW  {76,92 = D + W

76,92.0,20 = D 0,90 + W 0,005  {D = 16,76 (kmol/h)

W = 60,16 (kmol/h)

Bảng 3.2 Tóm tắt các số liệu tính toán cân bằng vật chất

3.2 Xác định chỉ số hồi lưu

3.2.1 Chỉ số hoàn lưu tối thiểu:

Chỉ số hoàn lưu tối thiểu là chế độ làm việc mà tại đó ứng với số mâm lý thuyết là vô cực Do đó, chi phí cố định là vô cực nhưng chi phí vận hành (nhiên liệu, nước giải nhiệt,…)

(2) = (5).(4)

Nồng độ x (%mol)

(3)

Phân tử lượng trung bình Mtb (kg/Kmol)

(4)

Năng suất (Kmol/h)

(5)

Nồng độ x (% khối lượng)

(6)

Hình 3.1 Giản đồ x – y của hệ Acetone – Nước và tiếp tuyến

Trên giản đồ xy, đường làm việc phần cất AB qua giao điểm của đường nhập liệu và đường 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 3.1 Với xF = 0,2 => y*F = 0,803 Khi nhập liệu ở trạng thái lỏng sôi, có thế được xác định theo biểu thức:

Rmin = xD−yF∗

yF∗−x F =0,90−0,803

0,803−0,2 = 0,1609 Chỉ số hoàn lưu thích hợp được xác định theo công thức sau:

R = 1,3Rmin + 0,3 (IX.25b/158 [1])

= 1,3.0,1609 + 0,3 = 0,509

3.2.2 Phương trình làm việc và xác định số mâm

3.2.2.1 Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất : (IX.20 trang 144) [2]

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

3.2.2.2 Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng: (IX.22 trang 158)

Ta có: L = GF

GD = 2000905,028= 2,210 =>> Chỉ số nhập liệu

1-2,2100,509 + 1 0,005 = 0,555x -0,004 Vậy: y = 0,555x − 0,004

Hình 3.2 Giản đồ cân bằng lỏng hơi và số mâm lý thuyết của hệ Acetone – Nước

Từ đồ thị xác định số mâm lý thuyết: Nlt = 6 mâm

Trong đó, 3 mâm cất, 2 mâm chưng, 1 mâm nhập liệu vị trí mâm số 4

Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình: Ntt = Nlt

ηtb Trong đó: ηtb: Hiệu suất trung bình của mâm là một hàm số của độ bay hơi tương đối và

Hình 3.3 Xác định hiệu suất trung bình của thiết bị (I.101/91[1])

Ntt: Số mâm thực tế

Nlt: Số mâm lý thuyết

Xác định hiệu suất trung bình của tháp η𝐭𝐛:

Độ bay tương đối của cấu tử dễ bay hơi: α = y*

1-y *.1-xx Với x: Phân mol của rượu trong pha lỏng

y∗: Phân mol của rượu trong pha hơi cân bằng với pha lỏng

0,20 = 16,305

Tra bảng I.101 trang 91[1]: Tại nhiệt độ tF = 64,5 oC

Độ nhớt của nước: µnước= 0,444 (cP)

Độ nhớt của Acetone: µacetone = 0,223 (cP)

Độ nhớt của hỗn hợp nhập liệu (Công thức I.12 trang 84)[1]:

Tại vị trí mâm đáy:

Từ xW = 0,005 tra bảng 1.3, ta có: tW = 97,79 oC; yw*=0,06

→ αW = yW*

1-yW* 1-xW

xW = 0,061−0,06.1−0,0050,005 = 12,70

Tra bảng I.101 trang 91[1] tại nhiệt độ tW = 97,79 oC, ta có:

Độ nhớt của nước: : µnước= 0,292 (cP); Độ nhớt của Acetone:µacetone=0,173 (cP)

Độ nhớt của hỗn hợp nhập liệu (công thức I.12 trang 84) [1]:

Tra bảng I.101, trang 91 [1] tại nhiệt độ tD=57,5 oC, ta có:

Độ nhớt của nước: µn= 0,489 (cP); Độ nhớt của Acetone µacetone=0,234 (cP)

Độ nhớt của hỗn hợp nhập liệu (Công thức I.12 trang 84) [1]:

Tra đồ thị IX.11 trang 171[2] → ηD= 0,59

Bảng 3.2 Tổng hợp các thông số về Độ nhớt, Hiệu suất và nhiệt độ

Mâm nhập liệu (F)

Mâm đáy (W)

Mâm đỉnh (D)

Suy ra hiệu suất trung bình của tháp: ηtb =ηF+ηW+ηD

3 =0,33+0,36+0,59

Số mâm thực tế tháp chưng cất: Ntt = Nlt

ⴄtb = 60,43 = 14 mâm.Trong đó:

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 (I 156/197 [2])

4.1.1 Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào tháp Q F

QF = GFCPFtF (I 151/196 [2]) Tại nhiệt độ nhập liệu : tF = 64,5 oC, tra bảng I.147/165 [1] và I.153/171 [1], ta có

Tra bảng I.148 (trang 166, [1]) ta có:

CP2= 0.506 (kcal/kg.độ) = 2.1185 (kJ/kg.độ)

4.1.3 Nhiệt lượng do lưu lượng lỏng hồi lưu mang vào

QR = GR CPR tR (I.158/197 [2])

Suất lượng dòng hồi lưu: GR = GD.R = 905,028.0,509 = 460,66 (Kg/h)

Tại tR = tD = 57,5 oC, tra bảng I.147/165 [1] và bảng I.153/171 [1], ta có:

D = acetone.x̅̅̅̅ + nước (1 -xD ̅̅̅̅) DVới xD = 0.967 (phần khối lượng)

Ta có: acetone = racetone + tD CPacetone và nước = rnước + tD CPnước

Tại tD = 57, 5oC, tra bảng I.212/254 [1], ta có

CPnước = 4,217 (kJ/kg.độ ), CPacetone = 2,428 (kJ/kg.độ)

Với xW = 0,0159

→ CPW = CPacetone.xW + CPnước (1 - xW) = 0,0159.2,428 + 4,217.(1-0,0159)

= 4,188 (kJ/kg.độ)

Bảng 4.1 Bảng tóm tắt cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng cất

Nhiệt lượng của dòng nhập liệu mang vào tháp QF = 432849,95 (kJ/h)

Nhiệt lượng do dòng sản phẩm đáy mang ra khỏi tháp Qw = 448398,4 (kJ/h)

Nhiệt lượng mất ra do môi trường xung quanh Qxq2 = 49264,1 (kJ/h)

4.2 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh

Phương trình cân bằng năng lượng:

Qn1 = D̅ rD(R + 1) = Gnl Cn(t2− t1) (I 165/198 [1]) Tại tD = 57,5oC, tra bảng I.212/254 [1] ta có:

Vậy lượng nước lạnh cần tiêu tốn để ngưng tụ sản phẩm đỉnh:

Gn1 = QC

Cn.(T2−T1) = 18184,75 (kg/h)

4.3 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh

Phương trình cân bằng năng lượng:

4.4 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun sôi dòng nhập liệu:

Phương trình cân bằng năng lượng:

Qf2+ QD1 = QF + Qxq1+ Qng1 (IX.149 trang 196 [2])

Qng1: nhiệt lượng do nước ngưng mang ra:

Qng1 = Gng1.CP1.t1 = D1.CP1.t1 (I.153.197 [2]) Trong đó:

+ Gng1: lượng nước ngưng, bằng lượng hơi đốt, kg/h

QD1: nhiệt lượng do hơi đốt mang vào:

QD1 = D1.𝜆1 = D1.(r1 + t1.CP1) (I.150/196 [2]) Trong đó:

+ D1: lượng hơi đốt, kg/h

+ r1: ẩn nhiệt hóa hơi, kJ/Kg

+ 𝜆1: hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng) của hơi đốt

+ t1: nhiệt độ nước ngưng, oC

+ CP1: nhiệt dung riêng của nước ngưng, J/kg.độ

Qf: nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào:

Qf = F.̅ CPf.tf Trong đó:

+ F.̅: lượng hỗn hợp đầu, kg/h

+ tf : nhiệt độ đầu của hỗn hợp, oC

+ CPf: nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu, J/kg.độ

QF: nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra:

QF = F.̅ CPF tF Trong đó:

+ cF: nhiệt dung riêng của hỗn hợp khi đi ra, J/kg.độ

+ tF: nhiệt độ hỗn hợp khi ra khỏi thiết bị đun nóng, oC

Qxq1: Nhiệt lượng mất ra môi trường xung quanh lấy bằng 5% nhiệt tiêu tốn:

Tra bảng I.148/166, [1]) ta có:

CP1= 0,506 (kcal/kg.độ) = 2,1185 (kJ/kg.độ)

→ D1 =2000.(3,352.64,5−3,302.25)

0,95.2208 = 111,69 (kg/h) Vậy nhiệt lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi hỗn hợp nhập liệu:

Bảng 4.2 Bảng tóm tắt cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun sôi dòng nhập liệu

Nhiệt lượng của hỗn hợp nhập liệu mang vào Qf = 198097,85 (kJ/h)

Nhiệt lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi hỗn hợp nhập liệu QD1 = 274916,08(kJ/h) Lượng hơi nước cần thiết để đun nóng hỗn hợp nhập liệu D1 = 111,69 (kJ/h)

Nhiệt lượng mất ra do môi trường xung quanh Qxq1 = 12330,8(kJ/h)

Bảng 4.3 Tổng kết các giá trị cần xác định Chương 4

Nhiệt lượng của dòng nhập liệu mang vào tháp QF = 432849,95 (kJ/h)

Lượng hơi đốt cần dùng cho tháp chưng cất D2 = 446,232 (kg/h)

Nhiệt lượng do dòng sản phẩm đáy mang ra khỏi tháp Qw = 448398,4 (kJ/h)

Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra khỏi tháp Qng2 = 113082,1 (kJ/h)

Nhiệt lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi hỗn hợp nhập liệu QD1 = 274916,08 (kJ/h)

Lượng hơi nước cần thiết để đun sôi hỗn hợp nhập liệu D1 = 111,69 (kg/h)

Nhiệt lượng cung cấp làm nguội sản phẩm đỉnh Qn2 = 37894,3 (kJ/h)

Lượng nước tiêu tốn để làm nguội sản phẩm đỉnh Gn2 = 906,996 (kg/h)

Lượng nước cần cung cấp để ngưng tụ dòng sản phẩm đỉnh Gn1 = 18184,75 (kg/h)

CHƯƠNG 5 : TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH

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

g𝑡𝑏: Lượng hơi trung bình đi trong tháp, kg/h

(𝜌𝑦×𝜔𝑦)𝑡𝑏: tốc độ hơi trung bình đi trong tháp, kg/m2s

− Lượng hơi trung bình đi trong phần chưng và phần luyện khác nhau, do đó đường kính đoạn chưng và đoạn luyện cũng khác nhau

5.1.2 Đường kính đoạn cất

• Lượng hơi trung bình đi trong đoạn cất của tháp

Theo công thức IX.91, trang 181, [2]:

gtb = gd + g1

2Trong đó: gđ -lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp, kg/h

g1 -lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện, kg/h

thứ nhất của đoạn luyện được xác định theo hệ phương trính cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng sau:

{

g1 = G1+ D

g1 y1 = G1 x1+ DxD

g1 r1 = gd rdTrong đó

+ r1: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn cất

+ rd: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi ra ở đỉnh tháp

• Tính r 1

Tại t1 = tF = 64,5oC, t ra bảng I.212/254, [1] ta có:

ra1= 29810,84 (kJ/kmol); rn1 = 43295,76 (kJ/kmol)

→ r1 = r1 = ra1.y1 + (1-y1).rn1 = 43295,76 –13484, 92 y1 (kJ/kmol)

• Tính r d

Tại tD = 57,5oC, t ra bảng I.212/254, [1] ta có :

rad= 30233,08 (kJ/kmol); rnd =43658,46 (kJ/kmol)

Với yD = 0,943

→ rd = rad.yD+ (1 – yD).rnd = 30233,08.0,943 + (1-0,943).43658,46 = 30998,327 (kJ/kmol)

x1 = xF = 0,2 thay vào hệ phương trình ta được:

M1 = 58×y1+(1 – y1)×18 = 58.0,735+(1 – 0,735).18 = 47,40 (kg/kmol)

g1 = 23,485.47,40 = 1113,189 (kg/h)

Vậy: gtb=1365,687+1113,189

• Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp

Theo công thức IX.111/186, [2]:

ωgh = 0.05 × √ρρxtb

ytb (m/s)

Trong đó:

+ 𝜌xtb: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (Kg/m3)

+ 𝜌ytb: khối lượng riêng trung bình trong pha hơi (Kg/m3)

• Xác định ρ tb

Theo công thức IX.102/183, [2]:

ρytb = [ytb1× 58 + (1 − ytb1) × 18] × 273

22.4 × (ttb+ 273)Với:

+ Nồng độ phân mol trung bình:

+ Khối lượng riêng trung bình của acetone: 𝜌acetone= 744,65 (kg/m3)

+ Khối lượng riêng trung bình của nước: 𝜌nước = 982,45 (kg/m3)

5.1.3 Đường kính đoạn chưng

Lượng hơi trung bình đi trong tháp

g′tb =g′n +g′1

2 (IX.91/181 [2]) Trong đó: g’n: Lượng hơi ra khỏi đoạn chưng

g’1: Lượng hơi đi vào đoạn chưng

r’1: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng

• Tính r’ 1 :

xW = 0,005 tra đồ thị hệ cân bằng ta có: yW = 0,06

t’1 = tW = 97,79oC, tra bảng I.212/254 [1], ta được:

r’nước = 40786,88 (kJ/kmol); r’acetone = 27587,87 (kJ/kmol)

→ r’1 = r’acetone yW + (1-yW) r’nước = 27587,87.0,06 + (1-0,06).40786,88

g′tb =g′n+g′1

2 =1113,189 +367,36