Đồ án thiết kế hệ thống chưng cất methanol bằng tháp đệm luận văn, đồ án, đề tài tốt nghiệp

Đề tài tài liệu về các chất tạo ngọt không phải saccharose trong sản xuất bánh kẹ

LỜI MỞ ĐÀU

Công nghệ hóa học cũng như các sản phẩm của nó có ảnh hưởng rất lớn đến

nhiều ngành sản xuất khác Trong đó methanol là một sản phấm khá được quan

tâm Trong quy trình sản xuất, methanol thường được chưng cất để đạt được nồng

độ cao, thỏa mãn nhu cầu sử dụng và tiết kiệm chi phí vận chuyển, lưu trữ

Nhiệm vụ của đồ án này là thiết kế hệ thống chưng cat methanol bằng tháp

đệm có năng suất 4000kg/h, nhập liệu ở nhiệt độ sôi với nồng độ 40% , sản phấm

đỉnh có nồng độ 98%, sản phẩm đáy có nồng độ 0.5% khối lượng/khối lượng Hệ

thống được gia nhiệt bằng hơi nước có áp suất 2 at

Việc thực hiện đồ án là một cơ hội tốt để sinh viên hệ thống hóa các kiến thức

đã học cũng như làm quen với việc lựa chọn tính toán các thiết bị thực tế Thực

hiện đồ án là một bước đế sinh viên làm quen với công việc của một kỹ sư trong

tương lai

Đồ án này được thực hiện dưới sự giúp đỡ và hướng dẫn trực tiếp của thầy

Nguyễn Văn Lục Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn và giúp đỡ của thầy

trong thời gian qua để em có thế hoàn thành đồ án này

MỤC LỤC

3.1 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng hỗn họp đầu 10

3.3 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ hoàn toàn 11

Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của một hồn hợp lỏng cũng

như hỗn hợp khí lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác

nhau của các cấu tử trong hồn hợp Thay vì đưa vào trong hỗn hợp một pha

mới để tạo nên sự tiếp xúc giữa hai pha như trong quá trình hấp thụ hoặc nhả

khí, trong quá trình chưng cất, pha mới được tạo nên bằng sự bốc hơi hoặc

ngưng tụ

Khi chưng cất ta thu được nhiều sản phẩm và thường thì bao nhiêu cấu tử

sẽ thu đực bấy nhiêu sản phẩm Sản phấm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay

hơi lớn và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi bé Sản phẩm đáy chủ yếu gồm

cấu tử có độ bay hơi bé và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi lớn

Đối với hệ methanol - nước thì sản phấm đỉnh chủ yếu là methanol, sản

phẩm đáy chủ yếu là nước

Các phương pháp chưng cất thường được phân loại dựa vào áp suất làm

việc ( áp suất thấp, áp suất thường, áp suất cao), nguyên lý làm việc (chưng

cất đơn giản, chưng bằng hơi nước trực tiếp, chưng cất) hay dựa vào phương

pháp cấp nhiệt (trực tiếp hay gián tiếp) Việc lựa chọn các phương pháp chưng

cất tùy thuộc vào tính chất lý hóa của sản phấm Đối với hệ methanol nước ta

chọn phương pháp chưng cất liên tục, cấp nhiệt gián tiếp bằng nồi đun ở áp

suất thường

Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau đế tiến hành

chưng cất Tuy nhiên yêu cầu chung của các thiết bị vẫn giống nhau là bề mặt

tiếp xúc pha phải lớn Điều này phụ thuộc vào mức độ phân tán của pha này

vào pha kia Ta khảo sát hai loại tháp thường dùng là tháp mâm và tháp chêm

• Tháp mâm: thân hình trụ, thắng đứng, phía trong có gắn các mâm có

cấu tạo khác nhau trên đó pha lỏng và pha hơi tiếp xúc với nhau Tùy theo cấu tạo của mâm ta có tháp mâm chóp hay tháp mâm xuyên lỗ

• Tháp đệm: tháp trụ gồm nhiều bậc nối với nhau bằng bích hay hàn

Vật chêm được cho vào tháp bằng hai phương pháp xếp ngẫu nhiên hay có thứ tự

So sánh ưu nhược điểm của hai loại tháp

Ưu điểm - Câu tạo đơn giản

- Trở lực thấp

- Làm việc được với chất lỏng bẩn

- Khá ôn định

- Hiệu suất cao - Hiệu suất cao- Trở lực tương đôi thấp

Nhược điêm - Do có hiệu ứng thành nên

hiệu suất truyền khối thấp

- Độ ổn định không cao, khó vận hành

- Thiết bị nặng nề

- Trở lực lớn

- Kết cấu phức tạp

- Không làm việc được với chất lỏng bấn

- Ket cấu phức tạp

Trong đồ án này ta sử dụng tháp đệm với vòng đệm Raschig xếp ngẫu

nhiên với kích thước 25x25x3.0

II so Lược VÈ NGUYÊN LIỆU

2.1 Methanol

Methanol là chất lỏng không màu, tan vô hạn trong nước, có mùi đặc

trưng, rất độc Một lượng nhỏ methanol có thể gây mù lòa, lượng lớn gây tử

vong Methanol có công thức phân tử CH3OH, phân tử lượng 32.04 đvC

Methanol có các tính chất lý hóa sau:

Nhiệt độ sôi: 64.5°c Khối lượng riêng ở 20°C: p = 791.7 kg/m3

Độ nhớt ở 20°C: |J, = 0.6* 10’ 3 N.s/m2 = 0.6

cP Hệ số dẫn nhiệt ở 20°C: À, = 0.179 kcal/m.h.độ = 0.2082 w/m.độ Nhiệt dung riêng ở 20°C: Cp = 2570 J/kg.độ

Nước là chất lỏng không màu, không mùi, không vị Công thức phân tử

H2O, phân tử lượng

18.2 đvC

Nhiệt độ sôi: 100°c Khối lượng riêng ở 20°C: p = 998 kg/m3Độ nhớt ở'20°C: ị i = 1.005*10'3 N.s/m2 = 1.005 cP Hệ số dẫn nhiệt ở 20°C: À, = 0.597 w/m.độ Nhiệt dung riêng ở 20°C: Cp

= 4180 J/kg.độ 2.3 ứng dung của methanol

Methanol có thể hòa tan với nước, alcohol, ester, ether, ketol và hầu hết

các dung môi hữu cơ Do đó, methanol thường được dùng làm dung môi và

nguyên liệu đế sản xuất những chất hữu cơ khác với số lượng lớn

Methanol có ái lực đặc biệt với Carbon dioxide và hydrogen sulfide, đây

được xem là dung môi trong quá trình làm ngọt khí Rectisol Mang tính phân

cực trong tự nhiên, methanol thường tạo hỗn hợp cộng phị với nhiều hợp chat

Methanol làm giảm nhiệt độ hình thành của hydrate khí tự nhiên, nên được sử

dụng là chất chống đông trong đường ống

Methanol được dùng để sản xuất formaldehyde, chiếm khoảng 40% lượng

tiêu thụ methanol trên thế giới Tại Mỹ, vai trò của methanol được tăng cao do

được sử dụng trong nhiên liệu oxygenated với MTBE Một ứng dụng quan

trọng khác của methanol là sản xuất acid acetic; ngoài ra, nó còn được dùng

làm dung môi và hóa chất trung gian

Ngoài ra methanol còn được dùng làm nguyên liệu sản xuất nhừng hóa

chất khác, như dimethyl terephthalate (DMT), methyl methacrylate,

methylamine, và methyl halogenur ứng dụng mới đây nhất là ứng dụng trong

nông nghiệp, phun trực tiếp vào cây trồng để kích thích sự phát triển của cây

1 : Thùng chứa hỗn hợp đầu

2 : Bơm chất lỏng

3 : Thùng cao vị

4 : Lưu lượng kế

5 : Thiết bị gia nhiệt hỗn họp đầu

6 : Tháp chưng cất

7 : Thiết bị ngưng tụ

8 : Thiết bị làm nguội

9 : Thùng chứa sản phẩm

10 : Nồi

đun

Kettle

11:

Thùng

chứa hỗn

họp đáy

12 : Bầy

hơi

Hồn hợp từ thùng chứa (1) được bơm ly tâm (2) chuyến lên thùng cao vị (3)

Từ thùng cao vị, hỗn hợp được cho chảy tự nhiên xuống thiết bị gia nhiệt ống

chùm Sau khi qua thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đạt được nhiệt độ sôi và được đưa vào

tháp chưng cất ở đĩa tiếp liệu.Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng từ hỗn hợp đầu được

trộn với phần lỏng đi xuống từ đoạn luyện

Trong tháp, pha hơi đi từ dưới lên, pha lỏng đi từ trên xuống, ở đây có sự tiếp

xúc giữa hai pha Trong đoạn chưng, càng đi xuống dưới, nồng độ cấu tử dễ bay

hơi trong pha lỏng càng giảm do bị cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi từ nồi đun (10)

đi lên lôi cuốn Hơi càng lên cao thì nhiệt độ càng giảm do đó cấu tử có nhiệt độ

sôi cao là nước sẽ ngưng tụ lại đi xuống dưới, cấu tử có nhiệt độ sôi thấp là

methanol sẽ lôi kéo các cấu tử methanol trong pha lỏng đi lên trên Sản phẩm đỉnh

là hơi chứa chủ yếu là methanol và một phần nhỏ hơi nước Hơi ở đỉnh được dẫn

qua thiết bị ngưng tụ (7) Một phần lỏng được hồi lưu vào tháp chưng cất còn phần

lớn được cho vào thiết bị làm nguội (8) và được đưa vào thùng chứa sản phẩm

đỉnh Hỗn họp đáy chứa chủ yếu là nước được đưa vào nồi đun Kettle Hơi từ nồi

đun được đưa trở lại vào tháp Sản phẩm đáy sau khi qua nồi đun được đưa vào

thiết bị làm nguội và chuyến về thùng chứa sản phẩm đáy (11)

Quy ước:

F, p, W: lần lượt là hồn

họp đầu vào, đỉnh và đáy

GF: lưu lượng hỗn hợp đầu

vào, kmol/h Gp: lưu lượng

sản phẩm đỉnh, kmol/h Gw:

lưu lượng sản phẩm đáy,

kmol/h GR: lượng chất

lỏng hồi lưu, kmol/h

Xf! nồng độ phân mol hỗn họp đầu vào

theo methanol, kmol/kmol xp: nồng độ

phân mol hỗn hợp đỉnh theo methanol,

kmol/kmol xw: nồng độ phân mol hỗn họp

đáy theo methanol, kmol/kmol nồng độ

phần khối lượng hỗn hợp đầu vào theo

methanol, kg/kg ap: nồng độ phần khối

lượng hỗn hợp đỉnh theo methanol, kg/kg

aw: nồng độ phần khối lượng hỗn hợp đáy

theo methanol, kg/kg

Yii nồng độ phần mol của pha hơi ứng với nồng độ phần mol Xi của pha lỏng, kmol/kmol

yi*: nồng độ phần mol cân bằng của pha hơi ứng với nồng độ phân mol Xi của pha lỏng, kmol/kmol A, B: lần lượt là ký hiệu của

methanol và nước MA, MB: lần lượt là khối lượng phân tử của

methanol và nước MA= 32.04; MB= 18.02

Lưu lượng hỗn hợp đầu vào:

“ F * a f F * ạ - a f )

[2- 144]

[2- 144]

[2- 144]

[2- 144]

PHƯƠNG

G> = -1 -—

M A M B

ơ, = -——— + -— = 183.12 kmol/h

Nồng độ phân mol của hỗn họp đầu vào

F * a f

X f =

-f M * G

1V1 A F

4000*0.4

X , = - = 0.27

/ 32.04*183.12

Nồng độ phân mol của hồn hợp đỉnh:

= 0.005 1-0.005 = °' 0028

32.04+ 18.02

Khối lượng phân tử trung bình của hỗn hợp đầu vào MF, đỉnh Mp và đáy Mw

F 4000 „« o >1 1 /1 1

M F = = ——— = 21.84 kg/kmol

Gf 183.12

M„= -ỉ -= -= 31.55 kg/kmol

MA+ MB 32.04 + 18.02

w _Ị_ vv _Ị_ _

Phương trình cân bằng vật chất G f =

G p + G w

0.98 32.04 0.98 1-0.98

— +

-32.04 18.02 Nồng độ phân mol của hỗn hợp đáy

a w

X

= -— -w a ™ I

l ~ a ™

M A M B 0.005

Đối với cấu tử dễ bay hơi là methanol

G F * x f = G p * x p + G w * x w Từ hai

phương trình trên ta suy ra

G P = G F * X f ~ X w = 183.12* 0,27 - 0,0028 = 51.36 kmol/h p F x p

G w = G F * X p ~ X f =183.12* Q - 96 ~°- 27 =131,76 kmol/h X p — X w

0.96-0.0028

II.

TRÌNH LÀM VIỆC CỦA THÁP

Bảng 1: Cân bằng lỏng hơi của hỗn họp methanol- nước

X 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

y 0 26.8 41.8 57.9 66.5 72.9 77.9 82.5 87 91.5 95.8 100

°c 100 92.3 87.7 81.7 78 75.3 73.1 71.2 69.3 67.6 66 64.5

Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn luyện có dạng:

Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng có dạng:

Sv + 1 ^ + 1

Với: Rx= Gx/Gp: chỉ số hồi lưu

L=GF/Gp

Vì hỗn hợp đầu vào ở nhiệt độ sôi nên ta có

x n ~ y * f

y f -Xf

Từ đồ thị cân bằng lỏng hơi của methanol- nước với Xf =0.27 ta tra được yf = 0.64; tf = 79°C; với Xp=

0.96 thì tp =65°C; với xw=0.0028 thì tw =99 7°c Vậy ta có:

Hình 1: Cân bằng lỏng hơi của hỗn hợp methanol - nước

0.96-0.64 = a88

0.64-0.27

Dùng phương pháp thử ta cho các giá trị Rx khác nhau đế tính các giá trị my khác nhau từ đó ta có bảng sau:

B ẢNG 2: Chỉ số hồi lưu thích họp

my(Rx+l) 18.33 17.60 17.27 17.16 17.19 17.25 17.45 17.69 17.97 18.29 18.62

H ÌNH 2: Chỉ số hồi lưu thích hợp

Dựa vào đồ thị ta thấy Rx = 1.33 Phương trình đường làm việc đoạn luyện: y = 0.57x + 0.41

Phương trình đường làm việc đoạn chưng: y = 2 A x - 0.0031

18 80

17 00

CÂN BẰNG

Cân bằng nhiêt

III.

3.1

NĂNG LƯỢNG

lương của thiết bi đun nỏng hỗn hơp đầu

eĐi+e,=eF+&f.+a, J/h [2-196] Trong đó:

Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào Qdi, chọn hơi đốt là hơi nước bão hòa ở p = 2at &1=Ái,=Ắ',

Với Di: lượng hơi đốt, kg/h.0 1 = 119.62°c nhiệt độ nước ngưng, Cl : nhiệt dung riêng của nước

ngưng Tra bảng 1.148 số tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất và thực phẩm tậpl được Cl =

1.014kcal/kg.độ = 4245.42 J/kg.độ Ẩn nhiệt hóa hơi ri tra ở bảng 1.212 sổ tay tập 1 ta được ri =

526.25kcal/kg = 2203303.5 J/kg

Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào:

Với F= 4000kg/h; tf = 30°C; Cf = 3583.5 sổ tay tâp 1 trang 172

Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra:

Với tF = 79°C; CF = 3645J/kg.độ Nhiệt

lượng do nước ngưng tụ mang ra:

Nhiệt độ mất ra môi trường xung quanh

Vậy lượng hơi nước cần thiết để đốt nóng hỗn họp đầu đến nhiệt độ sôi là:

3.2 Cân bằng nhiẽt lương của tháp chưng luyẽn

Với QF: nhiệt lượng do hồn hợp đầu mang vào, J/h

Qd2 = D2(r 2+C202) J/h, nhiệt lượng do hơi nước đun nóng hỗn họp ở đáy tháp

Qr = Gr.Cr.ír J/h, nhiệt lượng do lỏng hồi lưu mang vàọ ÍR = 65°c, Cr = 2813 J/kg.độ Qr =

51.36*31.55*1.33*28i3*65= 394069723.6 J/h

Qy = P(l+Rx)Ầđ ; nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp Với A,đ = X ị 3 L ị + Ằ 2 3 L 2 là nhiệt lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp, trong đó Ằi, À,2 lần lượt là nhiệt lượng riêng của cấu tử 1 và 2 ở đỉnh J/kg, ai, a2 là phần khối lượng của cấu tử 1 và 2 Với tđ = 79°c ta tính được Ằđ= 1328485 J/kg, Qy= 5015762248 J/h Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra Qw= W.Cvv.t*, Với tvv = 99.7°c, Cw = 4212.48 J/kg.độ ta tính được Qw = 999387671 J/h

Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra Qngt = Gngt.c2 02 = D2

0.05D2r2 Vậy lượng hơi nước cần thiết để đun sôi hỗn hợp ở

đáy tháp là:

3.3 Cân bằng nhiêt lương của thiết bi ngưng tu hoàn toàn

Với Gn : lượng nước lạnh tiêu tốn, kg/h; ti = 30°c, Í2 = 45°c là nhiệt độ vào và ra của nước làm lạnh cn = 4181.043 J/kg.độ : nhiệt dung riêng của nước làm lạnh ở nhiệt độ trung bình của ti và Ì 2\ ẩn nhiệt ngưng

tụ r = 1145634 J/kg.độ

Vậy lượng nước làm lạnh tiêu tốn đế ngưng tụ hoàntoàn sản phẩm đỉnh là:

P ( R +l)r 51 36*31 55* (ì 33 +lì* 1145634

" C n ( t 2 - t x ) 4181.043 *(45-30)

lương của thiết bi làm lanh

P.Cp(t’i+1*2 ) = Gncn(t2 - ti)

Với Cp = 2785 J/kg.độ là nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ t’i

= 65°c , t*2 = 30°c là nhiệt độ đầu và cuối của sản phẩm đỉnh ti = 10°c , Í2 =

30°c là nhiệt độ đầu và cuối của nước làm lạnh cn = 4184.58 J/kg.độ là nhiệt

dung riêng của nước ở 20°c Vậy lượng nước cần để làm lạnh sản phấm đỉnh là

= = = 1887 28 k ^ cn(t2-tx) 4184.58*(30-10)

Đường kính tháp đệm được tính theo công thức:

Với gtt>: lượng hơi trung bình đi trong tháp, kg/h

(pyC0y)tb: tốc độ hơi trung bình đi trong tháp, kg/m2.s

4.1 Lương hơi trung bình đi trong tháp

4.1.1 Lương hơi trung bình đi trong đoan luyẽn

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện có thế tính gần đúng theo công thức sau:

Với gtbi: lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện, kg/h hay kmol/h gđ: lượng hơi đi ra khỏi

đĩa trên cùng của tháp, kg/h hay kmol/h gi lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện, kg/

g đ =51.36*(1.33 + 1) = 119.68 kmol/h

Lượng hơi gi, hàm lượng hơi yi, lượng lỏng Gi đối với đĩa dưới cùng của đoạn luyện được xác định theo hệ phương trình cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng sau:

g l = G l + G P

Si r i = Sđ r đ

n = r «yi +(!->'/ K

Trong đó: Xi = Xf

IÌ: an nhiệt hóa hơi của hỗn họp hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện r<j:

ấn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi ra khỏi đỉnh tháp ra, ĩb: ẩn nhiệt hóa hơi

của các cấu tử A, B nguyên chất

Nội suy theo bảng 1.213 đối với methanol và bảng 1.250 đối với nước số tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 1 ở các nhiệt độ tf, tp, tw ta được các giá trị ẩn nhiệt hóa hơi của A, B nguyên chất theo bảng sau:

Bảng 3: Ấn nhiệt hóa hơi của cấu tử A, B nguyên chất theo nhiệt độ

II tw= 99.7°c

rA (kcal/kg) 259.6 267.5 246

Với các giá trị ẩn nhiệt hóa hơi ở nhiệt độ đầu vào ta tính được n Với các giá trị ẩn nhiệt hóa hơi ở nhiệt

độ đỉnh ta tính được ĩđ Với yđ là nồng độ hơi tương ứng với nồng độ pha lỏng Xp theo phương trình đường nồng độ làm việc đoạn luyện Ta được hệ phương trình: gl = Gj + 51.36

kmol/h Gi= 63.34 kmol/h yi = 0.55 kmol/kmol Vậy lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện là:

g i b l = + S L = 119 - 68 - 1 — = 117.19 kmol/h

Lượng lỏng trung bình đi trong đoạn luyện là:

-= 65.83 kmol/h

tbi 2 2

4.1.2 Lương hơi trung bình đi trong đoan chưng

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng được xác định gần đúng bằng công thức sau:

g,*= ẵj ^f ± [2-182]

Với gtbC: lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng, kg/h hay kmol/h

gn : lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng, gn = gi, kg/h hay kmol/h/ gi:

lượng hơi đi vào đoạn chưng, kg/h hay kmol/h

Lượng hơi đi vào đoạn chưng gi, lượng lỏng Gi và hàm lượng lỏng Xi được xác định theo hệ phương trình sau:

G l = g'ỉ + G w

g ' i * r ì = g n * r n = g l * r l

Trong đó yi = yw = 0.0028: tìm theo đường cân bằng ứng với xw

n = r

ay'i + (! - y \ ) r h ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng r ' n - r

a y ' n +

ta được hệ phương trình G \ = g \ +131.76

G;**; =0.0028g; +0.37

g] *9714.81 = 1032091 Giải hệ phương trình trên ta được: gi =106.24 kmol/h Gi =238 kmol/h Xi’ = 0.0028

kmol/h Vậy lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng là:

g ' n + g ' i 114.7 + 102.24 t * r , A n *

g t h c = ă j L Y Í L = -Y -= 110.47 kmol/h

Lượng lỏng trung bình đi trong đoạn chưng là:

_ G/+ơ; 63.34 + 238 1cn _

2 2

4.2 Khối lương riêng trung bình

4.2.1 Khối lương riêng trung bình của pha lỏng

Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng được tính theo công thức: