Thiết kế tháp chưng luyện loại tháp lưới để tách hỗn hợp hai cấu tử axeton – rượu etylic

Trong tiến trình công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước những ngànhmũi nhọn như công nghệ thông tin, công nghệ sinh học, công nghệ điện tử tự động hóa…công nghệ hóa giữ vai trò quan trọng

MỞ ĐẦU

Ngày nay cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, nền công nghiệp đã manglại cho con người những lợi ích vô cùng to lớn về vật chất và tinh thần Để nâng cao đờisống nhân dân, để hòa nhập chung với sự phát triển chung của các nước trong khu vựccũng như trên thế giới Đảng và Nhà nước ta đã đề ra mục tiêu công nghiệp hóa và hiệnđại hóa đất nước Trong tiến trình công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước những ngànhmũi nhọn như công nghệ thông tin, công nghệ sinh học, công nghệ điện tử tự động hóa…công nghệ hóa giữ vai trò quan trọng trong việc sản xuất các sản phẩm phục vụ cho nềnkinh tế quốc dân, tạo tiền đề cho nhiều ngành khác phát triển

Khi kinh tế phát triển thì nhu cầu của con người ngày càng tăng Do vậy các sảnphẩm cũng đòi hỏi cao hơn, đa dạng hơn, phong phú hơn, theo đó công nghệ sản xuấtcũng phải nâng cao Trong công nghệ hóa học nói chung việc sử dụng hóa chất có độ tinhkhiết cao là yếu tố căn bản tạo ra sản phẩm có chất lượng cao Có nhiều phương phápkhác nhau để làm tăng nồng độ, độ tinh khiết như: chưng cất, cô đặc, trích ly Tùy vàotính chất của hệ mà ta lựa chọn phương pháp thích hợp Đối với hệ axeton – nước là haicấu tử an lẫn hoàn toàn ta phải dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiếtcủa axeton

Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị là một môn học mang tính tổng hợp trongquá trình học tâp của các cử nhân công nghê thực phẩm tương lai Môn học giúp sinhviên giải quyết nhiệm vụ tính toán cụ thể về: yêu cầu công nghệ, kết cấu, giá thành củamột thiết bị trong sản suất hóa chất – thực phẩm Đây là bước đầu tiên để sinh viên vậndụng những kiến thức đã học của nhiều môn học vào giải quyết những vấn đề kĩ thuậtthực tế một cách tổng hợp

Nhiệm vụ đồ án môn học là “ Thiết kế tháp chưng luyện loại tháp lưới để tách

hỗn hợp hai cấu tử axeton – Rượu etylic

Em xin chân thành cám ơn các thầy cô bộ môn Quá Trình và Thiết bị đã giúp emhoàn thành đồ án này

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG 1.1.GIỚI THIỆU VỀ HỖN HỢP CHƯNG LUYỆN

1.1.1 Rượu etylic ( C 2 H 5 OH)

Rượu etylic còn được biết đến với tên gọi etanol, ancol etylic, rượu ngũ cốc haycồn

Là một hợp chất hữu cơ nằm trong dãy đồng đang của ancol metylic, dễ cháy, không màu

Là một ancol mạch thắng, công thức phân tử là C2H6O hay C2H5OH

a) Tính chất vật lý:

Là một chất lỏng không màu, mùi thơm dễ chịu và đặc trưng, vị cay, nhẹ hơn nước (khối lượng riêng là 0,7936 g/ml ở 15°C), dễ bay hơi (sôi ở 78,39°C), hóa rắn ở -114,15°c, tan vô hạn trong nước; tan trong ete và clorofom, hút ẩm, dễ cháy, khi cháy không có khói và ngọn lửa có màu xanh da trời Sở dĩ rượu etylic tan vô hạn trong nước và có nhiệt độ sôi cao hơn nhiều so với este hay andehit có khối lượng phân tử xấp xỉ là do sự tạo thành liên kết hidro giữa các phân tử rượu với nhau và với nước

b) Tính chất hóa học:

- Phản ứng thế với kim loại kiềm, kim loại kiềm thố:

2C2H5OH + 2Na -ỳ2C2H5ONa + H2

- Phản ứng este hóa- phản ứng giữa rượu và axit với môi trường H2SO4 đặc nóng tạo ra este:

c2H5OH + CH3COOH -ỳCH3COOC2H5 + h20

- Phản ứng loại nước tạo olefin trong môi trường H2SO4 đặc ở 180°C:

C2H5OH -ỳ C2H4 + H20

- Phản ứng tách nước giữa hai phân tử ancol tạo ra ete:

C2H5OH + C2H5OH -ỳ C2H5OC2H5 + H20

- Phản ứng oxi hóa:

C2H5OH + CuO -» CH3CHO + Cu + H2 0

C2H5OH + 02-ỳ CH3COOH + H20 C2H5OH +

02 -> C02 + H20

- Phản ứng riêng:

o Phản ứng tạo butadiene-1,3: Cho hơi rượu đi qua chất xúc tác hỗn hợp, ví

dụ AI2O3 + Cu ở 380-400°C, lúc đó xảy ra phản ứng tách loại nước:

- Thực phẩm: đồ uống, rượu mùi, pha chế cồn thực phẩm, làm giấm

- Công nghệ khai thác: Tổng hợp hóa học, thuốc

1.1.2 Axeton

Acetone là hợp chất hữu cơ có công thức phân tử (CH3)2 CO, là chất lỏng khôngmàu, dễ cháy và là hợp chất đơn giản nhất trong họ ketones Acetone hòa tan được trongnước và dễ bay hơi nên nó thường được dùng trong phòng thí nghiệm để rửa các thiết bị

có lẫn nước

a) Tính chất:

- Công thức phân tử: C3H6O

- Khối lượng phân tử: 58.08g/mol

- Ngoại quan: Chất lỏng không màu

- Mùi: Dung môi

- Tỉ trọng: 0.791g/cm3

- Nhiệt độ đông đặc: -95 oC

- Nhiệt độ sôi: 56-57 oC

- Tính tan trong nước: Tan vô hạn

- Áp suất hơi: 24.46-24.60 kPa (ở 20 oC)

- Độ nhớt: 0.3075cp (ở 20 oC)

b) Điều chế:

-Acetone được sản xuất trực tiếp hoặc gián tiếp từ propylene Khoảng 83%acetone được sản xuất bằng quy trình cumene Quy trình này cũng đồng thời sản xuất raphenol Trong quy trình này benzene được alkyl hóa với propylene cho ra cumene(isopropylbenzene), tuy nhiên sản phẩm này ngay lập tức bị oxi hóa cho ra phenol vàacetone.

-Một số phương pháp khác để điều chế acetone là oxy hóa trực tiếp propylene(quy trình Wacker - Hoechst) hay thủy phân propylene để cho ra 2-propanol, sau đó đượcoxi hóa cho ra acetone

-Trước đây acetone được sản xuất bằng cách chưng cất khô các muối acetate nhưcalcium acetate Trong thế chiến thứ I acetone được sản xuất bằng việc lên men vi sinh,phương pháp này sau đó được Chaim Weizmann (sau này là tổng thống đầu tiên củaIsrael) để hỗ trợ cuộc chiến tranh của Anh Phương pháp này sau đó bị lãng quên do hiệusuất sản xuất thấp

- Là dung môi lý tưởng cho sợi thủy tinh, dùng để tẩy rửa các dụng cụ bằng sợithủy tinh

- Dùng để pha keo epoxy 2 thành phần trước khi đóng rắn

- Dùng làm dung môi pha sơn và vecni

- Dùng để tẩy rửa các loại dầu mỡ nặng, tẩy rửa bề mặt kim loại trước khi sơn

- Dung môi pha nhựa polyester, vinyl

- Dùng để sản xuất methyl isobutyl carbinol (MIBC), methyl isobutyl ketone(MIBK)

- Dùng làm dung môi, làm tá dược trong ngành dược phẩm

- Làm tác nhân biến tính cho rượu biến tính

- Dùng làm dung môi hòa tan acetylene trong việc lưu trữ và bảo quản loại khínày, 1 lit acetone có thể hòa tan 250 lit khí acetylene

- Dùng để sản xuất methyl methacrylate, là một monomer quan trọng trong việctổng hợp nhựa polymethylmethacrylate

- Dùng để sản xuất Bisphenol A, một hợp chất quan trọng để sản xuất nhiều loạipolymer như polycarbonate, polyurethane và nhựa epoxy.

- Được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực y học, mỹ phẩm như tẩy da

- Làm dung môi cho các phản ứng ở phòng thí nghiệm, đặc biệt trong các phảnứng thế SN2

- Dùng làm chất tẩy sơn móng tay

=>Nhìn chung Axeton có nhiều ứng dụng trong công nghiệp cũng như trong đờisống hằng ngày nên cần thiết phải tách riêng được chúng

1.2 LÍ THUYẾT VỀ CHƯNG LUYỆN

1.2.1 Phương pháp chưng luyện.

Chưng luyện là một phương pháp nhằm để phân tách một hỗn hợp khí đã hóa lỏngdựa trên độ bay hơi tương đối khác nhau giữa các cấu tử thành phần ở cùng một áp suất

Phương pháp chưng luyện này là một quá trình trong đó hỗn hợp được bốc hơi vàngưng tụ nhiều lần Kết quả cuối cùng ở đỉnh tháp ta thu được một hỗn hợp gồm hầu hếtcác cấu tử dễ bay hơi và nồng độ đạt yêu cầu.Phương pháp chưng luyện cho hiệu suất

phân tách cao, vì vậy nó được sử dụng nhiều trong thực tế.

Dựa trên các phương pháp chưng luyện liên tục, người ta đưa ra nhiều thiết bịphân tách đa dạng như tháp chóp, tháp đĩa lỗ không có ống chảy truyền, tháp đĩa lỗ cóống chảy truyền, tháp đệm… Cùng với các thiết bị ta có các phương pháp chưng cất là:

a Áp suất làm việc:

- Chưng cất ở áp suất thấp

- Chưng cất ở áp suất thường

- Chưng cất ở áp suất cao

Nguyên tắc của phương pháp này là dựa trên nhiệt độ sôi của các cấu tử: nếu nhiệt

độ sôi của các cấu tử quá cao thì giảm áp suất làm việc để giảm nhệt độ sôi của các cấu

tử

b Nguyên lý làm việc: có thể làm việc theo nguyên lý liên tục hoặc gián đoạn:

•Chưng gián đoạn: phương pháp này được sử dụng khi:

+ Nhiệt độ sôi của các cấu tử khác xa nhau

+ Không cần 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 liên tục: là quá trình được thực hiện liên tục, nghịch dòng và nhiều đoạn

lý thuyết.

1.2.2.Thiết bị chưng luyện

Trong sản xuất thường dùng rất nhiều loại tháp khác nhau : tháp đĩa, tháp đệm,tháp phun, tháp màng…

Tuy nhiên, yêu cầu cơ bản chung của các thiết bị vẫn giống nhau là diện tích bềmặt tiếp xúc pha lớn, điều này phụ thuộc vào mức độ phân tán của một lưu chất này vàolưu chất kia Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta các loại tháp đĩa, nếu pha lỏng phântán vào pha khí ta có tháp đệm, tháp phun

 Tháp đĩa :

Tháp có thân hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các đĩa có cấu tạo khác nhau

để chia tháp thành những đoạn bằng nhau, trên đĩa có pha lỏng và pha hơi được cho tiếpxúc với nhau Tùy theo cấu tạo của đĩa, ta có :

• Tháp đĩa chóp :

Tháp đĩa thường cấu tạo gồm thân hình trụ thẳng đứng, bên trong có đặt các tấmngăn (đĩa) cách nhau một khoảng nhất định Trên mỗi đĩa hai pha chuyển động ngượchoặc chéo chiều : lỏng từ trên xuống ( hoặc đi ngang), khí từ dưới lên hoặc xuyên quachất lỏng chảy ngang ; ở đây tiếp xúc pha xảy ra theo từng bậc là đĩa Tùy thuộc cấu tạocủa đĩa chất lỏng trên đĩa có thể là khuấy lý tưởng hay dòng lỏng chảy qua Trên đĩa cócấu tạo đặc biệt để lỏng đi từ đĩa trên xuống đĩa dưới theo đường riêng biệt gọi là ốngchảy chuyền, đĩa cuối cùng ống chảy chuyền ngập sâu trong khối chất lỏng đáy tháp gọi

là van thủy lực ngăn không cho khí (hơi hay lỏng) đi theo ống lên đĩa trên

Pha khí (hơi hay lỏng) xuyên qua các lỗ, khe chóp, khe lưới, hay khe xupap sục vàopha lỏng trên đĩa Để phân phối đều chất lỏng người ta dùng tấm ngăn điều chỉnh chiềucao mức chất lỏng trên đĩa

• Tháp lưới (Tháp đĩa lỗ ) :

Tháp lưới (Tháp đĩa lỗ ) hình trụ, bên trong có nhiều đĩa, có lỗ tròn hoặc rãnh Chất lỏng

chảy từ trên xuống qua các ống chảy chuyền Khí đi từ dưới lên qua các lỗ hoặc rãnh đĩa.Đĩa có thể lắp cân bằng hoặc xuyên một góc 1/45 – 1/50 Trong trường hợp này khí vàlỏng cùng chảy qua một lỗ trên đĩa, vì vậy không có hiện tượng giảm chiều cao chất lỏng

trên đĩa như trong các loại tháp có ống chảy chuyền khác, và tất cả bề mặt đĩa đều làmviệc, nên hiệu quả của đĩa cao hơn Vì vậy trong những năm gần đây loại tháp này đangđược sử dụng rộng rãi.

Tháp hình trụ, gồm nhiều đoạn nối với nhau bằng mặt bích hay hàn Vật đệm đượccho vào tháp theo một trong hai phương pháp : xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự Cấu tạogồm : thân tháp rỗng, bên trong đổ đầy đệm làm từ vật liệu khác nhau (gỗ, nhựa, kimloại, gốm…) với những hình dạng khác nhau (trụ, cầu, tấm, yên ngựa,…) ; lưới đỡ đệm,ống dẫn khí và lỏng vào ra Để phân phối đều lỏng lên khối đệm chứa trong tháp, người

ta dùng bộ phận phân phối dạng : lưới phân phối (lỏng đi trong ống – khí ngoài ống ;lỏng và khí đi trong cùng ống) ; màng phân phối ; vòi phun hoa sen (dạng trụ, bán cầu,khe) ; bánh xe quay (ống có lỗ, phun quay…)

Các phần tử đệm được đặc trưng bằng : đường kính d, chiều cao h, bề dày δ Đốivới đệm trụ, h=d chứ được nhiều phần tử nhất trong một đơn vị thể tích

Khối đệm được đặc trưng bằng các kích thước : bề mặt riêng a (m2/m3) ;

thể tích tự do ε (m2/m3) ; đường kính tương đương d(tđ) = 4r(thủy lực) = 4.S/n = 4ε/a ;tiết diện tự do S(m2/m3)

Khi chọn đệm cần lưu ý : thấm ướt tốt chất lỏng ; trở lực nhỏ, thể tích tự do và tiếtdiện ngang lớn ; có thể làm việc với trọng tải lớn của lỏng và khí khi ε và S lớn ; khốilượng riêng nhỏ ; phân phối đều lỏng ; có tính chịu ăn mòn cao, rẻ tiền, dễ kiếm…

- Hiệu suất tương đối cao

- Hoạt động tương đối ổn định

- Vệ sinh dễ dàng

- Trở lực thấp hơn tháp chóp

- Ít tốn kim loại hơn tháp chóp

- Hiệu suất cao

- Hoạt động ổnđịnh

- Làm việc vớichất lỏng bẩn

- Ít tiêu haonăng lượng nên

số đĩa thấp hơn

- Trở lực lớn.

- Thiết bị khánặng

Ở đồ án này, để phân tách hỗn hợp hai cấu tử aceton-rượu etylic em được

giao nhiệm vụ thiết kế hệ thống chưng cất loại tháp lưới.

1.3 Quy trình sản xuất

Chú thích:

1:Thùng chứa hỗn hợp đầu 7:Thiết bị làm lạnh sẩn phẩm đỉnh

2:Bơm 8: Thiết bị chứa sản phẩm đỉnh

3: Thùng cao vị 9: Thiết bị gia nhiệt đáy tháp

4:Thiết bị gai nhiệt hỗn hợp đầu 10: Thùng chứa sản phẩm đáy

5: Tháp chưng luyện 11:Thiết bị tháo nước ngưng

6: Thiết bị ngưng tụ hồi lưu

 THUYẾT MINH QUY TRÌNH:

Hỗn hợp Acetone- Rượu etylic có nồng độ Acetone 30% ( theo số mol) , nhiệt độkhoảng 200C tại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3) Từ đóđược đưa đến thiết bị gia nhiệt (3) bằng hơi nước bão hòa Ở đây, hỗn hợp được đun sôiđến nhiệt độ sôi Sau đó, hỗn hợp được đưa qua lưu lượng kế (6) vào tháp chưng cất (8)

ở nồi đun (11) cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại được làm nguộiđến 40 0C bằng thiết bị trao đổi nhiệt (12)

Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là Acetone, sản phẩm đáy sau khitrao đổi nhiệt với nhập liệu được thải bỏ

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH 2.1 TÍNH CÂN BẰNG VẬT LIỆU

2.1.1 Giải thích các kí hiệu:

GF: Lưu lượng khối lượng của hỗn hợp đầu

GP: Lưu lượng khối lượng của sản phẩm đỉnh

GW:Lưu lượng khối lượng của sản phẩm đáy

NF:Lưu lượng mol của hỗn hợp đầu

NP:Lưu lượng mol của sản phẩm đỉnh

NW: Lưu lượng mol của sản phẩm đáy

aF: Nồng độ phần mol của hỗn hợp đầu

aP, aW: Nồng độ phần khối lượng của sản phẩm đỉnh và đáy

xF:Nồng độ phần mol của hỗn hợp đầu

xP, xW: Nồng độ phần mol của sản phẩm đỉnh và đáy

ρF:Khối lượngriêng của hỗn hợp đầu

ρP, ρW:Khối lượngriêng của sản phẩm đỉnh và đáy

M: Khối lượng phân tử

VF:Lưu lượng thể tích của hỗn hợp đầu

VP, VW:Lưu lượng thể tích của sản phẩm đỉnh và đáy

2.1.2 Cân bằng vật liệu tính theo khối lượng:

Hỗn hợp đầu vào F ( Aceton – Rượu etylic) được phân tách thành sản phẩm đỉnh P(axeton), và sản phẩm đáy W (Rượu etylic) Ở đĩa trên cùng có 1 lượng lỏng hồi lưu, ởđáy tháp có thiết bị đun sôi Lượng hơi đi ra đỉnh tháp Do

Phương trình cân bằng vật liệu: GF = GP + Gw (1)

Phương trình cân bằng vật liệu cho cấu tử dễ bay hơi (axeton ):

GF aF = GP aP + Gw.aw(2)

2.1.3 Cân bằng vật liệu tính theo lưu lượng mol:

a) Tính cân bằng vật liệu mol theo lưu lượng khối lượng

Ta có:

Trong đó:

MF=MA*xF+MB*(1-xF)

=58*0.3+46*(1-0.3)=49.6 (Kg/kmol)

MP=MA*xP+MB*(1-xP)=58*0.87+46*(1-0.87)= 56.44 (Kg/kmol)

MW=MA*xW+MB*(1-xW)=58*0.0005+46*(1-0.0005)=46.006 (Kg/kmol)

Lưu lượng phần mol của hỗn hợp đầu :

Lưu lượng phần mol của sản phẩm đỉnh :

Lưu lượng phần mol của sản phẩm đáy :

b) Tính cân bằng vật liệu mol theo phương trình cân bằng vật liệu

Lưu lượng mol cho từng cấu tử :

2.1.4 Cân bằng vật liệu tính theo lưu lượng thể tích ở Tđ:

- Khối lượng riêng của sản phẩm đỉnh :

ρp=ρA* ap+ρB*(1- ap)=719*+789*(1-) =726.42(Kg/m3)

- Khối lượng riêng của sản phẩm đáy :

ρw=ρA* aw+ρB*(1- aw)=719*+789*(1-) =788.956(Kg/m3)

- Lưu lượng thể tích của hỗn hợp đầu :

- Lưu lượng thể tích của sản phẩm đỉnh:

- Lưu lượng thể tích của sản phẩm đáy:

 Lưu lượng thể tích tính cho từng cấu tử:

2.1.5 Cân bằng vật liệu toàn phần theo các đơn vị thời gian:

2.2 XÁC ĐỊNH SỐ ĐĨA THỰC TẾ THEO PHƯƠNG PHÁP ĐỒ THỊ:

2.2.1 Vẽ đường cong cân bằng x-y và t-x,y theo thực nghiệm

Từ số liệu bảng IX.2a (Sổ tay QT&TBCNHC-2 trang 145) ta có thành phần cân

bằng lỏng hơi của aceton – rượu etylic được cho theo bảng sau:

0.417

0.524

0.605

0.674

0.739

0.802

0.865

0.929

1

Từ bảng số liệu trên ta vẽ được đồ thị y – x

Nồng độ cấu tử tương ứng ở cân bằng ( Bảng IX2a-STQTTB T2/145)