Đồ án môn học - Chưng luyện liên tục hỗn hợp rượu metylic - nước Phan 1: MỞ ĐẦU 1.Lý thuyết về chưng luyện Chưng là phương pháp dùng để tách các hỗn hợp chất lỏng cũng như các hỗn hợp khí lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp ,nghĩa là khi ổ cùng một nhiệt độ thì áp suất hơi của các cấu tử khác nhau Khi chưng ta thu được nhiều sắn phẩm và thường bao nhiêu cấu tử sẻ có bấy nhiêu sắn phẩm Đối với trưởng hợp hỗn hợp chưng chỉ gồm hai cấu tử thì sản phẩm dỉnh gồm cấu tử có độ bay hơi lón và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi bé còn sản phẩm đáy gồm cấu tử có độ bay hơi bé và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi lón Trong sản xuất có rất nhiều phương pháp chưng như chưng đơn giản ,chưng bằng hơi nước trực tiếp ,chưng chân không và chưng luyện Tùy thuộc vào điều kiện sẵn có, tính chất hỗn hợp , yêu cầu về độ tỉnh khiết sản phẩm mà ta chọn phương pháp chưng cho thích hợp hợp gồm các cấu tử có độ bay hơi rất khác tách sơ bộ và làm sạch cấu tử khỏi tạp chất - Chung don gidn ding dé tách các hỗn nhau Phương pháp này thường dùng để - Chung bang hoi nước trực tiểp dùng tách các hỗn hợp gồm các chất khó bay hơi và tap chất không bay hơi ,thường dùng trong trường hợp chất được tách không tan vào nước - Chung chân không dùng trong trưởng hợp cần hạ thấp nhiệt độ sôi cấu tử Ví dụ như trường hợp các cấu tử trong hỗn hợp dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao hay trưởng hợp các cấu tử có nhiệt độ sôi quá cao - Chung luyén là phương pháp phổ biến nhất để tách hoàn toàn hỗn hợp các cấu tử dễ bay hơi có tính chất hòa tan một phần hoặc hòa tan hoàn toàn vào nhau Chung luyén 6 ap suất thấp dùng cho các hỗn hợp dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao và hỗn hợp có nhiệt độ sôi cao Chung luyén ở áp suất cao dùng cho các hỗn hợp không hóa lỏng ở áp súât thưởng Chưng luyện ở áp suất thưởng (áp suất khí quyển ) dùng cho hỗn hợp không thuộc các trưởng hợp trên Người ta tiến hành chưng luyện hỗn hợp cần chưng trong tháp chưng luyện ,tháp gồm nhiều đĩa ,trên mỗi đĩa xảy ra quá trình chuyển khối giữa pha lỏng và pha hơi Hơi đi từ dưới lên qua các lố của đĩa ,lỏng đi từ trên xuống theo các ống chảy chuyển, nồng độ các cấu tử và nhiệt độ sôi 6 méi đĩa thay đổi theo chiều cao của tháp Do đó một phàn Trang 1 Đồ án môn học - Chưng luyện liên tục hỗn hợp rượu metylic - nước cấu tử dễ bay hơi chuyển từ pha lống vào pha hơi và một phần ít hơn chuyển tử pha hơi vào pha lỏng, lặp lại nhiều lần bốc hơi và ngưng tụ như thế , hay nói một cách khác ,với một số đĩa tương ứng , cuối cùng ở trên đỉnh tháp ta thu được cấu tử dễ bay hơi 6 dang nguyên chất và 6 tháp ta thu được cấu tử khó bay hơi ổ dạng nguyên chất Quá trình chưng luyện được thực hiện trong thiết bị loại tháp làm việc liên tục hoặc gián đoạn Ở đây ta sẽ thiết kế hệ thống chưng luyện tháp chóp làm việc liên tục với hỗn hợp chưng là rượu mêtylic và nước.Khi chưng luyện liên tục , hỗn hợp đầu được đưa vào tháp ổ đĩa tiếp liệu (nằm ổ phần giữa thân tháp ) một cách liên tục , sắn phẩm dỉnh và sản phẩm đáy cũng dược lấy ra liên tục II.Tính chất lý hóa của rượu mêtylic 1.Tính chất lý học: Rượu mêtylic là chất lỏng không màu,tan vô hạn trong nước có mùi vị đặc trưng , rất độc , chỉ một lượng nhỏ xâm nhập vào cơ thể cũng có thể gây mù lỏa ,lượng lón gây tử vong “Nhiệt độ sôi ở áp suất khí quyển t",= 64,5% - Khối lượng riêng ở 20°C p= 791,7 Kg/m° -Độ nhót ổ 20°C u=0,6.10° N.s/m? =0,6 cp -Hé sé din nhiét 6 20°C À = 0,179kcal/m.h.độ = 0,2082 W/m.độ “Nhiệt dung riêng 6 20°C Cp= 2570 J/kg.độ “Nhiệt hóa hơi r = 262,79 kcal/kg 6 64,5°C -Nhiét d6 néng chay tye= -97,8°C 2.Tính chất hóa học: Rượu mêtylic có công thức phân tử: CHOH I : H-C-O-H công thức câu tạo : H phân tử lượng :32 đvC Trong phân tử rượu mêtylie có 3 loại liên kết: C- H,C-O,O - H,trong đó hai liên kết sau là liên kết cộng hóa trị phân cực ,đó là do độ âm điện của O lón hơn của C và H nên trong cả hai liên kết đó cặp electron góp chung đều lệch về phía O làm cho nguyên tử H trổ nên linh động hơn.Rượu mêtylic có khả năng tham gia các phản ứng sau: - _ làm phá võ liên kết C-OH với sự tách đi của nhóm -OH -_ làm phá võ liên kết _-O-H với sự tách đi của -H - bj oxy hoa thanh fomandéhit : Trang 2 Đồ án môn học - Chưng luyện liên tục hỗn hợp rượu metylic - nước CH;OH + CuO > HCHO + Cu Rượu mêtylic được ứng dụng dé sản xuất andêhytfomic làm nguyên liệu cho công nghệ chất dẻo II.Tính chất lý hóa của nước - Nude 1a chất lổng không màu ,không mùi ,không vị -_ Nhiệt độ sôi ổ 760mmHg là 100°C -_ Hóa lỏng ổ0C -_ Khối lượng riêng p = 997,08 kg/m 6 25°C -_ Độ nhớt p= 0,8937.10°N.s/m? = 893,7 Cp 6 25°C - Nhiét dung riêng C; = 0,99892 kcal/kg.độ 6 25°C - _ Nhiệt hóa hơi ổ áp suất khí quyển r = 540 kcal/kg -_ Nước có công thức phân tử H;O ,công thức cấu tạo H-O-H -_ Nước là hợp chất phân cực mạnh, có thể hỏa tan nhiều chất ran ,léng ,khí -_ Nước cần thiết cho sinh hoạt hằng ngày ,sẳn xuất nông nghiệp ,công nghiệp , xây dựng , giao thông vận tải - Nước dùng để điều chế oxy IV.Uu ,khuyét điểm của phương pháp chưng đĩa chóp : Ưu điểm:Tách dược sắn phẩm có độ tỉnh khiết cao,dễ khéng ché qua trinh,bé mat tiếp xúc pha tương đối lón ,trổ lực không cao Khuyết điểm: Tiếp xúc pha không liên tục, cấu tạo phúc tạp V.Dây chuyển công nghệ: Thiết kế như hình vẽ Hỗn hợp dầu từ bể chứa I được bơm 2 bơm lên thùng cao vị 3rồi theo ống dẫn qua van điều chỉnh lưu lượng 5 (điều chỉnh lượng hỗn hợp đầu vào tháp) đến thiết bị đun sôi hỗn hợp đầu 6 Sự có mặt của thùng cao vị đảm bảo cho lượng hỗn hợp đầu vào tháp không dao động trong trường hợp công suất bơm quá lón hỗn hợp đầu sẽ theo ống tuần hoàn 4 tràn về bể chứa hỗn hợp đâu Thiết bị dun sôi 6 là thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm với tác nhân nóng là hơi nước bão hòa Ra khỏi thiết bị dun sôi ,hỗn hợp đầu ở nhiệt độ sôi đi vào tháp 7 6 dia nap liệu Sản phẩm dỉnh ở dạng hơi được ngưng tụ hoàn toàn khi di qua thiết bị ngưng tụ 8 đến thiết bị phân tách hôi lưu 9 ,một phần sản phẩm dỉnh hồi lưu trỏ về dỉnh tháp,phần cỏn lại đi vào thiết bị làm nguội 10 dược làm lạnh và di vào bể chứa sản phẩm dinh Trang 3 Đồ án môn học - Chưng luyện liên tục hỗn hợp rượu metylic - nước 11.Thiết bị ngưng tụ 8 và thiết bị làm nguội 10 cũng là thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm với tác nhân làm nguội là nước lạnh Sản phẩm đáy di ra khỏi tháp ổ đáy dược dẫn vào bể chứa sản phẩm đáy 12 ,đdược làm nguội tự nhiên Sẵn phẩm dáy ở đây là nước có chứa một ít metylic nên dược xủ lý rồi thải ra môi trường 13 là tháp chứa nước làm mát 14 là bình phân phối hơi đốt Phan 2 : TINH CONG NGHE Caïc kyï hiãôu saœí duông trong quai trcnh tênh toain : G; : lượng hỗn hợp đầu G; : lượng sắn phẩm dỉnh Gy : lượng sản phẩm đáy a; : nông độ phần khối lượng của cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp đầu a,_: nổng độ phần khối lượng của cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đỉnh ay : nông độ phần khối lượng của cấu tử dễ bay hơi trong sắn phẩm dáy x; nổ 16 pha 1 cấu tử dễbay hơi hỗn hợp da x; : nổng độ phần mol cấu tử dễ bay hơi trong trong sản phẩm dỉnh xụ : nồng độ phần mol cấu tử dễ bay hơi trong sẵn phẩm đáy Cấu tử dễ bay hơi A: rượu metylic , cấu tử khó bay hơi B : nước Chương I TÍSNỐ HĐĨA 1.Nông độ phần mol: Ga = a M, we M, M, => Xp= —3832 _ = 0,2564 phan mol 38/+3622/18 _ 0,965 phần mol ~ 0,0113 phan mol => Xp = 98/32 98/+322/18 => Xw = —232_ 2/32 + 98/18 Trang 4 Đồ án môn học - Chưng luyện liên tục hỗn hợp rượu metylic - nước 2.Lưu lượng hỗn hợp dầu và sản phẩm đáy: Phương trình cân bằng vật liệu cho toàn tháp: F=P+w® Viết cho cấu tử dễ bay hơi: F.xy = P.x; + W.xự ® Từ (1) và (2) suy ra: F| P W Xp —%y Xp ~Xy Xp— Xp Vậy lượng sản phẩm dỉnh là: P=F,7#—* = 2000.x, 0,2564 —0,0113 =514 Kg/h Xp-X, 0,965 —0,0113 Lượng sản phẩm day là: W=F.*z~*z = 2900, 265=0:2564 _ 1496 Ko/h Xp —%, 0,965 — 0,0113 Gọi M„ là phân tử lượng trung bình của hỗn hợp đầu M, = Xp.Mg + (1-X;).Mp = 0,2564.32 + 0,7436.18 = 21,5896 (g) Lượng hỗn hợp đầu tính theo Kmol/h là: =_ 000 _ 99.637 (Kmol/h) 21,5896 Lượng sản phẩm dỉnh tính theo Kmolh là: F =F, 2222» = 99,637, 22564-00113 _53 s08 (Kmol/h) Xp—X, * 0,965 -0,0113 (Kmol/h) Lượng sẵn phẩm đáy tính theo Kmol/h là: W=F.,**~z =02637,963=0.256 _ 68 999 xXp-X, 0,965 — 0,0113 II.Xác định số đĩa của tháp Gọi x,y là nồng độ mol phần của thành phần lỏng và hơi của rượu mêtylic (tính theo phần mol) t ÓC) là nhiệt độ sôi của hỗn hợp hai cấu tử (ở 760 mmHg) Theo bảng IX.2a-Sổ tay QT&TBCN Hóa học Tập 2, trang 149 ,ta có: ix |0 |s |10 |20 |30 [40 |so |ó0 |70 |so |90 |100| Trang 5 Đồ án môn học - Chưng luyện liên tục hỗn hợp rượu metylic - nước Y 0 26,8 |41,8 |57,9 |66,5 | 72,9 | 77,9 |82,5 |87 |91,5 |95,8 | 100 T 100 |92,3 | 87,7 | 81,7 | 78 75,3 | 73,1 | 71,2 | 69,3 | 67,6 | 66 | 64,5 Dựa vào bắng số liệu này ta vẽ đồ thị đường cong cân bằng của hỗn hợp rươu metylic va nước (Hình 1) và dé thi biểu diễn đường cong sôi (Hình 2) Theo đồ thị đường cân bằng ta xác định được y”; = 0,64 phần mol là nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi cân bằng với pha lỏng trong hỗn hợp đầu Theo đô thị đường cong sôi ta xác định được nhiệt độ sôi của hỗn hợp đầu t'; =89 °C ,của sản phẩm đỉnh #;= 65,5°C ,của san pham day t'y= 97°C Chỉ số hôi lưu tối thiểu được xác định bằng công thức : R = = xmin y "r— Xp 0,965 — 0,64 = STE = 0,847 0,64— 0,2564 Hình vẽ 1,2,3: 2 Xác định Ry thích hợp : Việc xác định Rx thích hợp ta làm như sau: Lấy vài gid tri Ry > Rymin » VOi mi gid tri Ry da l4y ta tính x„⁄(Rx+1) là giá trị tung độ của đường nồng độ làm việc , vẽ đường làm việc đoạn chưng và đoạn luyện ,từ đó xác định số đĩa lý thuyết N ứng với mỗi giá trị R„.Lập đô thị với trục tung là N.(R„+) ,trục hoành là Rx (Hình 3) Từ đỗ thị ,xác định điểm cực tiểu , tử điểm cực tiểu suy ra Rx thích hợp Rwu= Ló Từ Rx thích hợp ,vẽ lại đường nồng độ làm việc đoạn chưng và đoạn luyện và xác định được số đĩa lý thuyết N, = 14 (đĩa) (4 đĩa chưng và I0 đĩa luyện) 3 Phương trình đường nồng độ làm việc: Đoạn chưng : _ Ry +1 L-1 = Ryos +L yt L+R, % V6i L là lượng hồn hợp đầu tinh trén 1 don vi san pham dinh, _F _ 92,637 _ 349) P 23.808 Trang 6 Đồ án môn học - Chưng luyện liên tục hỗn hợp rượu metylic - nước 1,641 + 3,891-1 0,0113 xX = — y 3,891+1,6 1,6 + 3,891 =0,474.y + 0,0059 Doan luyện: Ry Xp Ry +1 xy Ry +1 1,6 x+ 0,965 = 0,615.x + 0,371 1,6+1 1,6+1 4 Xác dịnh số đĩa thực tế : Số đĩa thực tế được xác định theo công thức : — Nụ = -* Te V6i uw, là hiệu suất trung bình của thiết bị,là hàm của độ bay hơi tương đối œ và độ nhót p cia hén hop p= f(a,n) I¬y x Độ nhót: lgu,,=n.lgiu + (1-n)lg¿ n là nồng độ cấu tử thứ nhất n -I là nông độ cấu tử thứ hai u ›H› là độ nhớt hai cấu tử 1 N= Nw = 31 t m+ Ms ) Với rỊ, là hiệu suất ứng với đĩa trên cùng rị; là hiệu suất ứng với đĩa tiếp liệu rị; là hiệu suất ứng với đĩa cuối cùng *Ứng với đĩa tiếp liệu : Độ bay hơi: Op = 2 Lose _= 0064 1-0,2564 _= 5,156 l-y, Xp 1—0,64 0,2564 Độ nhót : với tS, = 89°C Igoe = +;g„„„+—x;)lgo = 0,2564.1g0,33 + (1 - 0,2564).1g0,3202 = -0,491 => Mẹ = 0/323 (Cp) Tích pd = 0,323.5,156 = 1,665 Tra dé thị hình IX.11 trang 171Sổ tay QT&TB CN Hóa học Tập 2 ta được hiệu suất của đĩa tiếp liệu rị; = 44 % Trang 7 Đồ án môn học - Chưng luyện liên tục hỗn hợp rượu metylic - nước *Ứng với đĩa trên cùng : Độ bay hơi : Độ nhót — yp 1-xp 0,98 1—0,965 DI“ =1,777 l-y, x, 1-0,98° 0,965 : với tS, = 65,5°C Igup — Xpl8/eg oj +(Ï— Xp)-lE #zø => = 0,965.120,49 + (1 - 0,965).1g0,4324 = -0,3117 Mp = 0,488 (Cp) Tích pp.o¢ = 0,488.1,777 = 0,88 Tra dé thi hinh IX.11 trang 17186 tay QT &TB CN Hoa hoe Tap2 ta được hiệu suất của đĩa trên cùng rỊ, = 50 % *Ứng với đĩa cuối cùng: Độ bay hơi: Oy = Vy dex, _ 0,08 1-0,0113 = 7,608 l-y, x, 1—0,08 0,0113 D6 nhot : véi hy = 97°C IgHw = x, 1g Hcu,ou + (=x,).lg mo = 0,0113.1g0,293 + (1 - 0,0113).1g0,293 = -0,533 => My = 0,293 (Cp) Tích nơ; = 0,293.7,608 =2,23 Tra đô thị hình IX.II trang 171 Số tay QT &TB CN Hóahọc Tập2 ta được hiệu suất của đĩa trên cùng TỊ› = 40 % Vậy hiệu suất trung bình: Mis = 5 (i + M2 #15) = 2(44 + 50 +40) = 44,667 (%) N= Me Số đĩa thực tế là : và số đĩa đoạn toán đỏ h.I.18 _ 14 Nw 44,667 10=031,3 Vậy thục tế phai chon 31 dia , trong đó số đĩa đoạn chưng là 9 đĩa luyện là 22 đĩa (yz, yp, yụ được xác định từ đỏ thị đường cân bằng hình 1) (Độ nhớt của rượu mêtylic theo nhiệt độ được tra ở Bảng dùng cho trang 93 Số tay QT&TB CN Hóa học Tập 2 Độ nhót của nước theo nhiệt độ được tra ở Bảng I.102 trang 94) Trang 8 Đồ án môn học - Chưng luyện liên tục hỗn hợp rượu metylic - nước Chang T1: TD INH UOKÍNNH TGHIẾT BỊ Đường kính tháp được xác dịnh tử công thức (IX.89) Sổ tay QT&TBCN Hóa học : 4, Z.3600.4„ Hoặc D=0,0188 GaydD,e Trong đó : Vụ,- lượng hơi trung bình di trong tháp , m°/h - tốc độ hơi trung bình đi trong tháp , m/s ø„ - lượng hơi trung bình đi trong tháp ,kg/h (p,.œ,)„ - tốc độ hơi trung bình đi trong thap , kg/m’.s L Đưkíờnh đnoạngluyện: 1.Lượng hơi trung bình đi tron, 1 lUYỆN Ø„ CÓ thể xem gần đúng bằng trung bình cộng lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp gạ và lượng hơi đi vào dưới cùng ø¡ của đoạn luyện : By = SF, kg/h Trong đó, gạ= Gạ +G; =G;(R„+l) céng thtic IX 92 trang 181 S6 tay QTTB tap V6i Ga: ludng long hdi luu, kg/h G; : lượng sản phẩm dỉnh, kg/h Rx : chỉ số hổi lưu => 2, = 514(1,6+1)= 1 336,4 kg/h Lượng hơi đi vào đĩa đầu tiên của đoạn luyện được xác định theo hệ phương trình cho ổ trang 173 Số tay QTTB tập 2 : 8, =G,+G, ZV, = Gx, + Gp.xp 8-4 = Sala Trong đó x, =a, = 0,38 (phan khối lượng) Xp= ap = 0,98 (phần khối lượng) G.:lượng lỏng đĩa thứ nhất đoạn luyện rạ :ấn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp di ra khỏi đỉnh tháp r, :4n nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất doan luyện Trang 9 Đồ án môn học - Chưng luyện liên tục hỗn hợp rượu metylic - nước TịE Tạ ÿ¡ †(Ï-V¡).Ty TạE Tạ ÿ¡ †(Í~Y4).T, r,, r„ :ấn nhiệt hóa hơi của rượu metylic và nước Yg= ap = 0,98 phan khdi ludng *Tính r,: hỗn hợp dau vao thap 6 89°C nén ta phai tinh r, , r, 6 89°C Theo bang I.212 trang 254 S6 tay QTTB tập 1 ta có: 660°C: rạ = 265 keal/kg 6 100°C tT, =579 kcal/kg r„=242 kcal/kg Tho = 539 kcal/kg -r,, =-23 kcal/kg Ar, = hy —%, =—40 kcal/kg => At =, -t, = 100-60 = 40°C At 2Ö —_0475 kcal/kg.độ Ab 40 An, 40 _ -] kcal/kg.độ At 40 Theo phương pháp nội suy ta tinh r, ,r, 6 89°C : 1? = 1,0 + A t 89 — 60) = 265 — 0,575.29 = 248,325 kcal/kg rye= ry? + A "m~ 60) =579— 29 =550_ kcal/kg t Vay Trị =T¿.Y¡ †(1-y¡).r, = 248,325.y¡ + (I-y¡).550 = 550 - 301,675.y, *Tính rạ :hơi đi ra khỏi đỉnh tháp ổ nhiệt độ 65,5°C,tương tự như trên: 1° =r, Ă — 60) = 265 — 0,575.5,5 = 261,84 kcal/kg t rye = Ty + M655 — 60) = 579 —5,5 = 573,5 kcal/kg t Vay Tạ =T,-ya + (Ï- ya).r, = 261,84.0,98 +(1-0,98).573,5 =268,07 kcal/kg g,=G,+514 Vậy ta có hệ phương trình : 8i = G,.0.38+514.0,98 gi; = 1336,4.268,07 = 358248,748 7, =550—301,675.y, Trang 10