TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG THÁP ĐỆM CHƯNG CẤT LIÊN TỤC ĐỂ TÁCH HỖN HỢP HAI CẤU TỬ ETHANOL – NƯỚC

Đồ án quá trình thiết bị: Thiết kế hệ thống tháp đệm chưng luyện liên tục để tách hỗn hợp hai cấu tử Ethanol-Nước với các số liệu sau:Lưu lượng hỗn hợp đầu vào tháp (Kgh) :F=2000 KghNồng độ hỗn hợp đầu (phần khối lượng) :aF= 38%Nồng độ sản phẩm đỉnh (phần khối lượng) :aD= 97%Nồng độ sản phẩm đáy (phần khối lượng) :aW= 3,2%

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

TỬ ETHANOL – NƯỚC

Thành phố Hồ Chí Minh, 12/2019

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

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

- Tổng quan về nguyên liệu

- Tổng quan về phương pháp chưng cất

- Thuyết minh quy trình

- Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng

- Tính toán thiết kế thiết bị chính

- Tính toán và chọn thiết bị phụ

- Bản vẽ A1 quy trình công nghệ

- Bản vẽ A1 chi tiết thiết bị thiết kế

3 Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 5/08/2019

4 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 19/12/2019

5.Họ và tên người hướng dẫn:

Tp Hồ Chí Minh, ngày 5 tháng 08 năm 2019

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Phần đánh giá:  Ý thức thực hiện:

 Nội dung thực hiện:

 Hình thức trình bày:

 Tổng hợp kết quả:

Điểm bằng số: Điểm bằng chữ:

TP Hồ Chí Minh, ngày… tháng… năm 2019 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Phần đánh giá:  Ý thức thực hiện:

 Nội dung thực hiện:

 Hình thức trình bày:

 Tổng hợp kết quả:

Điểm bằng số: Điểm bằng chữ:

TP Hồ Chí Minh, ngày… tháng… năm 2019

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH 1

DANH MỤC BẢNG 2

LỜI MỞ ĐẦU 3

A: TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT 4

I Tổng quan về quá trình chưng cất 4

1 Định nghĩa, phân loại và thiết bị chưng cất 4

1.1 Định nghĩa về chưng cất 4

1.2 Phân loại 7

1.3 Thiết bị chưng cất 9

2 Giới thiệu về tháp đệm 10

II TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU 11

1 Ethanol 11

2 Nước 14

III QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ ETHANOL-NƯỚC 16

1 Sơ đồ quy trình công nghệ 17

2 Thuyết minh quy trình công nghệ 19

B TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 21

I: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH 21

1 CÂN BẰNG VẬT CHẤT 21

1.1 PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LÀM VIỆC CỦA THÁP 23

1.2 Chỉ số hồi lưu thích hợp R x 25

1.3 Xác định số đĩa lý thuyết và số đĩa thực tế: 26

2 CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG 29

2.1 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu 29

2.2 Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện 30

2.3 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ 32

3 Tính đường kính tháp chưng luyện 32

3.1 Tính đường kính đoạn luyện 32

3.2 Tính đường kính đoạn chưng 36

4 Tính chiều cáo tháp chưng luyện 38

5 Tính trở lực của tháp 39

5.1 Trở lực của đoạn luyện 39

5.2 Trở lực của đoạn chưng 40

6 Tính toán cơ khí 41

6.1 Tính toán đường kính các đường ống dẫn 41

6.2 Tính chiều dày thân tháp hình trụ 43

6.3 Tính chiều dày đáy và nắp thiết bị 45

6.4 Tra mặt bích 46

6.5 Tính lưới đỡ đệm, đĩa phân phối chất lỏng 48

6.6 Tính chọn tai treo và chân đỡ 52

II TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ 54

1 Tính toán thiết bị truyền nhiệt: 54

1.1 Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 54

1.2 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 57

1.3 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 60

1.4 Thiết bị đun sôi đáy tháp 64

2 Bồn cao vị 66

2.1 Tổn thất đường ống dẫn 66

2.2 Tổn thất đường ống dẫn trong thiết bị đun sôi dòng nhập liệu 68

2.3 Tính chiều cao bồn cao vị 68

3 Bơm 69

3.1 Năng suất bơm 69

3.2 Tính cột áp 69

III TÍNH TOÁN GIÁ THÀNH THIẾT BỊ 71

C KẾT LUẬN 73

TÀI LIỆU THAM KHẢO 74

DANH MỤC HÌNH

Hình 1: Ưu điểm, nhược điểm của từng loại tháp 10Hình 2: Công thức cấu tạo của ethanol 13Hình 3: Sơ đồ thiết bị chưng cất 18Hình 4: Phương trình cân bằng lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp 2 cấu tử ethanol – Nước ở 760 mmHg 24Hình 5: Xác định bằng đồ thị số bậc thay đổi nồng độ của tháp chưng cất 27

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1: Các thiết bị trong hệ thống chưng cất 19

Bảng 2: Cân bằng lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp 2 cấu tử ethanol – Nước ở 760 mmHg 24

Bảng 3: Thông số vật liệu bằng thép X18H10T 44

Bảng 4: Thông số mặt bích liền bằng thép X18H10T để nối thân với đáy và nắp thiết bị47 Bảng 5: Thông số các bộ phận của thiết bị và ống 47

Bảng 6: Chiều dài đoạn ống nối dựa vào đường kính của các ống 48

Bảng 7: Thông số về lưới đỡ đệm, đĩa phân phối 48

Bảng 8: Thông số thiết bị tai treo 53

Bảng 9: Thông số của thiết bị chân đỡ 53

Bảng 10: Tính toán giá tiền thiết bị 72

Nhiệm vụ của đồ án này là thiết kế hệ thống chưng cất hỗn hợp ethanol – nước cónăng suất là 2000 kg/h, nồng độ hỗn hợp đầu 38% mol, nồng độ của sản phẩm ở đỉnh là97% mol, nồng độ sản phẩm ở đáy là 3.2% mol, tháp làm việc ở áp suất bình thường.

Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy đã tận tâm hướng dẫn, hỗ trợ và giúp đỡtận tình em hoàn thành đồ án này

Trong quá trình thực hiện đồ án không thể tránh khỏi những sai sót và hạn chế Vìthế, em rất mong nhận được sự góp ý, nhận xét phê bình của quý thầy cô và các bạn để đồ

án của em được hoàn thiện hơn

A: TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT

I Tổng quan về quá trình chưng cất

1 Định nghĩa, phân loại và thiết bị chưng cất

1.1 Định nghĩa về chưng cất

Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng – lỏng cũngnhư hỗn hợp lỏng – khí thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của cáccấu tử trong hỗn hợp (tức là khi ở cùng một nhiệt độ, áp suất hơi bão hòa của các cấu tử

là khác nhau bằng cách lặp đi lặp lại nhiều lần quá trình bay hơi và ngưng tụ, trong đó,vật chất đi từ pha lỏng vào pha hơi và ngược lại [1]

Trong quá trình chưng cất, cả dung môi và chất tan đều bay hơi Khi chưng cất tathu được nhiều cấu tử và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu được bấy nhiêu sản phẩm.Nếu xét hệ đơn giản chỉ có 2 cấu tử thì ta thu được 2 sản phẩm: Sản phẩm đỉnh gồm cóchủ yếu là các cấu tử dễ bay hơi và một phần ít các cấu tử có độ bay hơi thấp hơn Sảnphẩm đáy gồm chủ yếu là các cấu tử có độ bay hơi thấp và một phần ít các cấu tử dễ bayhơi

Do các chất lỏng có áp suất hơi khác nhau tại cùng một nhiệt độ nên quá trìnhchưng cất dựa trên nhiệt độ sôi khác nhau của các chất lỏng tham gia Vì có áp suất hơikhác nhau nên khi đưa năng lượng vào hệ thống, chất có áp suất hơi cao hơn (hay nhiệt

độ sôi thấp hơn) bốc hơi nhiều hơn các chất khác, vì thế mà trong quá trình chưng cất,nồng độ chất có nhiệt độ sôi thấp hơn trong phần cất cao hơn là ở trong hỗn hợp ban đầu.Thay vì đưa vào trong hỗn hợp một pha mới để tạo nên sự tiếp xúc giữa hai pha nhưtrong quá trình hấp thu hoặc nhả khí, trong quá trình chưng cất pha mới được tạo nênbằng sự bốc hơi hoặc ngưng tụ Trong trường hợp đơn giản nhất, chưng cất và cô đặckhông khác gì nhau, tuy nhiên giữa hai quá trình này có một ranh giới là trong quá trìnhchưng cất dung môi và chất tan đều bay hơi (nghĩa là các cấu tử đều hiện diện trong cảhai pha nhưng với tỉ lệ khác nhau), còn trong quá trình cô đặc thì chỉ có dung môi bay hơicòn chất tan không bay hơi [1]

Khi chưng cất, ta thu được nhiều sản phẩm và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thuđược bấy nhiêu sản phẩm Trong đề tài này ta chỉ quan tâm đến hỗn hợp gồm hai cấu tử,khi đó quá trình chưng cất sẽ cho:

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

Về quá trình chưng cất liên tục hai cấu tử nước và acid acetic bằng tháp mâmthường bao gồm một hệ thống gồm các thiết bị chính sau: tháp chưng cất, thiết bị ngưng

tụ sản phẩm, thiết bị gia nhiệt nhập liệu, thiết bị gia nhiệt sản phẩm đáy, thiết bị hoànlưu sản phẩm đỉnh [6]

Quá trình tách các cấu tử trong hỗn hợp đòi hỏi ba điều kiện: Thứ nhất, cả hai phalỏng và hơi đều có mặt và tiếp xúc với nhau trên mỗi giai đoạn trong tháp tách Thứ hai,các thành phần phải có các biến động khác nhau ở những vị trí khác nhau trong quá trìnhtách Thứ ba, hai giai đoạn có thể được phân tách bằng lực hấp dẫn hoặc bằng lực cơhọc có nghĩa [4]

Trong các quy trình chưng cất liên tục, một dòng nguồn nhập liệu liên tục đượcnhập vào cột Nguồn nhập liệu này có thể chứa hai thành phần trong trường hợp nàyđược gọi là hỗn hợp hai cấu tử, nếu nguyên liệu chứa nhiều hơn hai thành phần thì được

gọi là hỗn hợp đa thành phần Trong việc thiết kế một cột cho một khoảng cách nhấtđịnh, số giai đoạn cần thiết và tốc độ dòng chảy của dòng chất lỏng và hơi đầu tiên phảiđược xác định bằng cách sử dụng phương pháp chung Trong thiết kế cơ khí của cột,đường kính tháp, khoảng cách mâm, và cách bố trí chi tiết của mỗi mâm được xem xét.Trước hết, đường kính là được tính toán, sau đó có thể xem xét các cấu tạo hình học củamâm một cách chi tiết hơn và cuối cùng, để kiểm tra các điều kiện hoạt động chung chotháp và thiết lập của nó trong một phạm vi hoạt động tối ưu.

Đối với dạng chưng cất này, nhà nghiên cứu áp dụng một quy trình thiết kế chomột cột chưng cất để tách riêng hỗn hợp (nước – ethanol)

Chưng cất là một trong những hoạt động đơn vị lâu đời nhất Trong khi kỹ thuậtđầu tiên được phát triển năm 1597, chưng cất đã được thực hành cho nhiều hợp chất đặcbiệt là đối với nồng độ cồn ethyl đối với đồ uống Ngày nay, chưng cất là một trongnhững hoạt động được sử dụng nhiều nhất và cũng sử dụng năng lượng lớn nhất trong cácquá trình của ngành công nghiệp [4]

Từ xưa, ở trên thế giới như trong thế kỷ thứ VIII, Jabir Ibn Hayyan (Geber) làngười đầu tiên cô đọng axit axetic từ giấm bằng cách chưng cất Trong thời Phục Hưng,axit axetic băng được điều chế bằng cách chưng cất khô các axetat kim loại nhất định

(loại phổ biến nhất là đồng (II) axetat) Nhà giả kim thuật Đức thế kỷ thứ XVI AndreasLibavius đã miêu tả cách chưng cất như thế, và ông đã so sánh axit axetic tạo ra bằngphương pháp này với từ giấm Sự có mặt của nước trong giấm đã làm ảnh hưởng đếntính chất của axit axetic mà đối với các nhà hóa học trong vài thế kỷ đã cho rằng axitaxetic băng và axit axetic trong giấm là hai chất khác nhau Nhà hóa học Pháp PierreAdet đã chứng minh rằng chúng là một… Từ lâu các tác giả đã nghiên cứu, tính toán đểthiết kế hệ thống chưng cất hỗn hợp hai cấu tử có nhiệt độ bay hơi khác nhau Phươngpháp mà họ sử dụng bao gồm chưng cất phân đoạn hỗn hợp hai cấu tử bằng tháp chêm,tháp mâm,… Kết quả mà họ thu được là đã tìm ra các thông số phù hợp cho quá trìnhchưng cất hồi lưu giúp sản phẩm tinh sạch, hiệu suất cao Tháp được thiết kế hợp lý,thông số phù hợp và khắc phục được nhiều nhược điểm Mặc dù có phương pháp tính

toán và thiết kế có khác nhau nhưng kết quả cuối cùng là vẫn tách được hai cấu tử ra khỏi hỗn hợp.

1.2 Phân loại

Phương pháp chưng

cất Theo áp suất làm

việc:

- Chưng cất ở áp suất thấp: dùng cho các hỗn hợp có cấu tử dễ bị phân hủy ờ nhiệt

độ cao hoặc các hỗn hợp có nhiệt độ sôi quá cao

- Chưng cất ở áp suất thường

- Chưng cất ở áp suất cao: dùng cho các hỗn hợp không hóa hơi ở áp suất thường

Theo nguyên lý làm việc: dựa vào nhiệt độ sôi của các cấu tử, nếu nhiệt độ sôi của

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

- Chưng cất đơn giản: tách hỗn hợp các cấu tử có độ bay hơi khác nhau Thường

để làm sạch sơ bộ và làm sạch các cấu tử ra khỏi tạp chất

+ Chưng cất bay hơi dần dần: cho phép nhận được phần chưng cất lớn hơn cho chưng cất bay hơi một lần

+ Chưng cất bay hơi nhiều lần: cho phép chưng cất các phân đoạn theo mong muốn

- Chưng cất phức tạp:

+ Chưng cất có hồi lưu để nâng cao khả năng phân chia hỗn hợp lỏng, người ta

cho hồi lưu một phần sản phẩm đỉnh Nhờ sự tiếp xúc thêm một lần nữa giữa phalỏng (hồi lưu) và pha hơi trong tháp được làm giàu thêm cấu tử nhẹ nhờ đó mà độphân chia cao hơn

+ Chưng cất có tinh luyện: dựa vào quá trình trao đổi chất nhiều lần giữa pha lỏng

và hơi nhờ vào các đĩa hay đệm Chưng cất sẽ có độ phân chia cao hơn nếu kếthợp với hồi lưu

+ Chưng cất chân không và chưng cất có hơi nước: độ bền nhiệt của các cấu tử

phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian lưu Đối với các phân đoạn có nhiệt độ sôi cao,

người ta cần tránh sự phân hủy chúng bằng cách giảm nhiệt độ chưng cất Nếunhiệt độ

sôi cao hơn nhiệt độ chưng cất ta dùng chưng cất chân không hoặc chưng cất bằnghơi nước Hơi nước làm giảm áp suất hơi riêng phần làm giảm nhiệt độ sôi của cấutử.

Phân loại theo quá trình chưng cất

Chưng cất phân đoạn: dùng để có được độ tinh khiết cao của phần cất hay dùng đểchưng cất nhiều cấu tử khác nhau từ hỗn hợp Có thể thực hiện dưới áp suất thấp hơn đểcải thiện bước tách nếu nhiệt độ sôi của các cấu tử gần nhau

Chưng cất lôi cuốn: dùng khi các chất lỏng cần tách hòa tan vào nhau Nếu hỗnhợp là các cấu tử không tan vào nhau, có thể để lắng và gạt đi các cấu tử

Phân loại theo phương pháp thực hiện

Phương pháp chưng cất đơn giản: thường để chưng cất những sản phẩm không đòihỏi độ tinh khiết cao, trong công nghệ thực phẩm, phương pháp này thường được sử dụng

để sản xuất các loại tinh dầu thô từ thực vật hoặc các loại rượu thủ công Quá trình chưngcất thường được thực hiện ở điều kiện thường Nguyên liệu được đưa vào nồi sau đó gianhiệt đến nhiệt độ sôi Hơi bay lên được đưa vào thiết bị ngưng tụ, sản phẩm ngưng tụđược đưa vào thùng chứa Sau khi kết thúc mẻ chưng cất, phần lỏng khó bay hơi sẽ đượctháo ra ngoài

Phương pháp chưng cất đơn giản hồi lưu: sản phẩm sẽ được hồi lưu một phần vàotháp chưng cất để giúp tăng hiệu suất chưng cất cũng như giúp sản phẩm tinh sạch hơn

Phương pháp chưng cất phân đoạn bằng hệ thống chưng cất liên tục: là quá trìnhthực hiện liên tục quá trình bốc hơi và ngưng tụ một phần, nồng độ của các cấu tử trongpha bay hơi càng lúc càng tăng cao Quá trình chưng cất phân đoạn sẽ gồm nhiều giaiđoạn như vậy Trong mỗi giai đoạn sẽ diễn ra quá trình bốc hơi và ngưng tụ một phần

Vậy ở đề tài này, hỗn hợp bao gồm hai cấu tử là nước và ethanol, trong đó nước cónhiệt độ sôi là 100 [2], của ethanol là 64.7 [2] Do đó, đối với hệ Nước – ethanol,chúng tôi chọn phương pháp chưng cất liên tục ở áp suất thường

1.3 Thiết bị chưng cất

Trong sản xuất thường sử dụng rất nhiều loại thiết bị khác nhau để thực hiện quátrình chưng cất Tuy nhiên yêu cầu cơ bàn chung cho các thiết bị vẫn giống nhau, nghĩa làdiện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều này phụ thuộc vào mức độ phân tán của mộtlưu chất này vào lưu chất kia

Tháp chưng cất rất phong phú về kích cỡ và ứng dụng, các tháp lớn nhất thườngđược dùng trong công nghiệp lọc hóa dầu Kích thước của tháp như đường kính tháp vàchiều cao tháp tùy thuộc vào suất lượng pha lỏng, pha khí của tháp và độ tinh khiết củasản phẩm Ở đây ta khảo sát 2 loại tháp thường dùng là tháp mâm và tháp đệm

Tháp mâm gồm thân tháp hình trụ thẳng đứng trong có gắn các mâm có câu tạokhác nhau trên đó pha lỏng và pha hơi được cho tiếp xúc với nhau Tùy theo cấu tạo củađĩa ta có:

chuyền có thể có tiết diện hình tròn, viên phân, một ống hay nhiều ống tùysuất lượng pha lỏng

3÷12mm Đối với những tháp có đường kính quá lớn (>2,4m) ít dùng mâmxuyên lỗ vì khi đó chất lỏng phân phối không đều trên mâm

Tháp đệm: là một tháp hình trụ gồm nhiều bậc nối với nhau bằng mặt bích hayhàn Vật chêm được đổ đầy trong tháp theo một trong 2 phương pháp: xếp ngẫu nhiênhay xếp thứ tự

Tháp đệm Tháp mâm chóp Tháp mâm xuyên lỗ

Ưu điểm

- Cấu tạo đơn giản

- Trở lực thấp

- Làm việc được với chất lỏng bẩn

- Độ ổn định khôngcao, khó vận hành

Hình 1: Ưu điểm, nhược điểm của từng loại tháp

Do số lượng hỗn hợp ban đầu nhỏ nên tôi chọn đồ án thiết kế chưng cất tháp đệm

để dễ dàng chế tạo và trở lực nhỏ Chính vì vậy, tôi chọn đề tài thiết kế hệ thống chưngcất hỗn hợp ethanol – nước có năng suất là 2000 kg/h, nồng độ hỗn hợp đầu 38% mol,nồng độ của sản phẩm ở đỉnh là 97% mol, nồng độ sản phẩm ở đáy là 3.2% mol

2 Giới thiệu về tháp đệm

Tháp đệm: là một tháp hình trụ gồm nhiều bậc nối với nhau bằng mặt bích hayhàn Vật chêm được đổ đầy trong tháp theo một trong 2 phương pháp: xếp ngẫu nhiênhay xếp thứ tự Vật chêm sử dụng gồm nhiều loại khác nhau, phổ biến nhất là một số vậtchêm như: vòng Raschig, vật chêm hình yên ngựa, vật chêm vòng xoắn,

3 2

H O

Yêu cầu chung của các loại vật chêm là phải có diện tích bề mặt riêng, thể tích tự

do lớn để giảm trở lực của dòng lưu chất Vật liệu chế tạo vật chêm phải có khối lượngriêng nhò và bền hóa học Toàn bộ vật chêm được đặt trên bộ phận đỡ vật chêm Chấtlỏng được phân phối ở đỉnh tháp qua bộ phận phân phối lỏng sao cho chất lỏng phải thấmướt được toàn bộ vật chêm

II TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU

hydrua(NaH), Natri amid(NaNH2):

*Tác dụng với acid hữu cơ tạo ester: Rượu etanol có tính bazơ tương đương với nước Khi rượu tác dụng với acid vô cơ H2SO4, HNO3 và acid hữu cơ đều tạo ra ester.

H +

* Phản ứng trên nhóm hydroxyl: Tác dụng với HX

H 2 SO 4

>150 o C

CH3-CH2-OH+ Phản ứng hydro và oxy hoá:

CH3-CH2-OH

H 2 SO 4

>150 o C

Cu 200-300 o C

Ứng dụng: Ethanol đóng một vai trò quan trọng trong nền kinh tế quốc dân Đây lànguyên liệu dùng để sản suất hơn 150 mặt hàng khác nhau và được ứng dụng rộng rãitrong các ngành: công nghiệp nặng, y tế và dược, quốc phòng, giao thông vận tải, dệt, chếbiến gỗ và nông nghiệp

* Sơ đồ tóm tắt vị trí của ethanol trong các ngành công nghiệp

Phương pháp điều chế: có nhiều phương pháp điều chế ethanol: hydrat hoá etylen vớixúc tác H2SO4; thuỷ phân dẫn xuất halogen và ester của etanol khi đun nóng với nước xúctác dung dịch bazơ; hydro hoá aldyhyt acêtic; từ các hợp chất cơ kim…Trong côngnghiệp, điều chế ethanol bằng phương pháp lên men từ nguồn tinh bột và rỉ đường Ngoài

ra trong công nghiệp người ta có thể sử dụng quá trình chưng cất để tách ethanol ra khỏinước để thu được ethanol với nồng độ cao Những năm gần đây, ở nước ta công nghệ sản

suất ethanol chủ yếu là sử dụng chủng nấm men Saccharomyses cerevisiae để lên mentinh bột.

Cồn Etanol được sản xuất bằng khá nhiều cách tiêu biểu như thông qua công nghệ hydrathóa ethylene hoặc dùng phương pháp sinh học đó là lên men đường hay ngũ cốc với menrượu

- Phương pháp điều chế: có nhiều phương pháp điều chế etanol: hydrat hoá etylen với xúctác H2SO4; thuỷ phân dẫn xuất halogen và ester của etanol khi đun nóng với nước xúc tácdung dịch bazơ; hydro hoá aldyhyt acêtic; từ các hợp chất cơ kim…

- Trong công nghiệp, điều chế etanol bằng phương pháp lên men từ nguồn tinh bột và rỉđường Những năm gần đây, ở nước ta công nghệ sản suất etanol chủ yếu là sử dụngchủng nấm men Saccharomyses cerevisiae để lên men tinh bột:

C6H6O6

Nấm men

Trong đó: 95% nguyên liệu chuyển thành etanol và CO2,

5% nguyên liệu chuyển thành sản phẩm phụ: glyxêrin, acid sucxinic, dầu fusel, metylic và các acid hữu cơ(lactic, butylic…)

Hình 2: Công thức cấu tạo của ethanol

Cấu tạo phân tử của Ethanol

Cacbon ở nhóm metyl (CH3–) liên kết với carbon ở nhóm metylen (–CH2–), nhómnày lại liên kết với oxy của nhóm hydroxyl (–OH)

2 Nước

Nước là một hợp chất hóa học của oxy và hidro có công thức hóa học là H2O Vớicác tính chất lý hóa đặc biệt (ví dụ như tính lưỡng cực, liên kết hiđrô và tính bất thườngcủa khối lượng riêng), nước là một chất rất quan trọng trong nhiều ngành khoa học vàtrong đời sống 70% diện tích bề mặt của Trái Đất được nước che phủ nhưng chỉ 0,3%tổng lượng nước trên Trái Đất nằm trong các nguồn có thể khai thác dùng làm nướcuống

Trong điều kiện bình thường: nước là chất lỏng không màu, không mùi, không vị,nhưng khối nước dày sẽ có màu xanh nhạt Công thức phân tử H2O, phân tử lượng 18đvC Màu sắc tự nhiên của nước thường được xác định bởi các chất rắn lơ lửng và chất lơlửng, hoặc bằng cách phản chiếu bầu trời, hơn là do nước Điều này có nghĩa là màu sắccủa nước phụ thuộc vào góc phản xạ và khúc xạ của ánh sáng chiếu đến Phân tử nướcbao gồm hai nguyên tử hiđrô và một nguyên tử oxy Về mặt hình học thì phân tử nước cógóc liên kết là 104,45 Do các cặp điện tử tự do chiếm nhiều chỗ nên góc này sai lệch

đi so với góc lý tưởng của hình tứ diện Chiều dài của liên kết O-H là 95,84 picômét

Khi hóa rắn nó có thể tồn tại ở dạng 5 dạng tinh thể khác

nhau Các thông số vật lí của nước:

- Nhiệt độ sôi: 100

- Nhiệt độ nóng chảy: 0

- Khối lượng riêng ở 20 : ρ = 998 kg/m3

- Độ nhớt ở 20oC: μ = 1 x 10-3 N.s/m2 = 1cP

- Hệ số dẫn nhiệt ở 20 : λ = 0.597 W/m.độ

- Nhiệt dung riêng ở 20 : Cp = 4180 J/kg.độ

Oxy có độ âm điện cao hơn hydro Việc cấu tạo thành hình ba góc và việc tíchđiện từng phần khác nhau của các nguyên tử đã dẫn đến cực tính dương ở các nguyên tửhydro và cực tính âm ở nguyên tử oxy, gây ra sự lưỡng cực.

Cấu tạo của phân tử nước tạo nên các liên kết hiđrô giữa các phân tử là cơ sở chonhiều tính chất của nước Cho đến nay một số tính chất của nước vẫn còn là câu đố chocác nhà nghiên cứu mặc dù nước đã được nghiên cứu từ lâu.

Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi của nước đã được Anders Celsius dùng làm haiđiểm mốc cho độ bách phân Celcius Cụ thể, nhiệt độ đóng băng của nước là 0 độCelcius, còn nhiệt độ sôi (760 mm Hg) bằng 100 độ Celcius Nước đóng băng được gọi lànước đá Nước đã hóa hơi được gọi là hơi nước và có nhiệt độ sôi tương đối cao nhờ liênkết hydro

Dưới áp suất bình thường nước có khối lượng riêng (tỷ trọng) cao nhất là ở 4°C:0.998 g/cm³ đó là vì nước vẫn tiếp tục giãn nở khi nhiệt độ giảm xuống dưới 4°C Điềunày không được quan sát ở bất kỳ một chất nào khác Điều này có nghĩa là: với nhiệt độtrên 4°C, nước có đặc tính giống mọi vật khác là nóng nở, lạnh co; nhưng với nhiệt độdưới 4°C, nước lại lạnh nở, nóng co Do hình thể đặc biệt của phân tử nước (với góc liênkết 104,45°), khi bị làm lạnh các phân tử phải dời xa ra để tạo liên kết tinh thể lục giác

mở Vì vậy mà tỉ trọng của nước đá nhẹ hơn nước thể lỏng

Nước là một dung môi tốt nhờ vào tính lưỡng cực Các hợp chất phân cực hoặc cótính ion như axít, rượu và muối đều dễ tan trong nước Tính hòa tan của nước đóng vaitrò rất quan trọng trong sinh học vì nhiều phản ứng hóa sinh chỉ xảy ra trong dung dịchnước

Nước tinh khiết không dẫn điện Mặc dù vậy, do có tính hòa tan tốt, nước hay cótạp chất pha lẫn, thường là các muối, tạo ra các ion tự do trong dung dịch nước cho phépdòng điện chạy qua

Về mặt hóa học, nước là một chất lưỡng tính, có thể phản ứng như một, có thểhiểu đơn giản khi một oxit axit hoặc một oxit bazơ tác dụng với nước sẽ tạo radung dịch acid hay bazo tương ứng Ở 7 pH (trung tính) hàm lượng các ion hydroxyt(OH-) cân bằng với hàm lượng của hydronium (H3O+) Khi phản ứng với một axit mạnhhơn ví dụ như HCl, nước phản ứng như một chất kiềm:

HCl + H2O ↔ H3O+ + Với ammoniac nước lại phản ứng như một axit:

Cl-NH3 + H2O ↔ NH4+ + Trong công nghiệp

OH Trong công nghiệp, nước có thể hóa lỏng bằng cách làm tan băng đá, hoặc lọc từnước biển và các nguồn nước không tinh khiết bằng các phương pháp khác nhau như lọc,chiết, tách, chưng cất, bay hơi, có sự kết hợp của ngưng tụ

Trong phòng thí nghiệm

- Người ta có thể cho oxit axit tác dụng với oxit bazơ hoặc ngược lại để tạo ra muối và nước Tuy vậy chúng tạo ra liều lượng rất hạn chế

VD: CO2 (k) + Ca(OH)2 (dd)  CaCO3 (r) + H2O (l)Chủ yếu người ta dùng cách cho H2 tác dụng với O2 để xảy ra phản ứng hóa hợptạo nước nhưng nguy hiểm vì nó phát nổ, khi tỉ lệ H:O là 2:1 thì hỗn hợp nổ mạnh nhất

Ta có phương trình điều chế nước như sau:

III QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ ETHANOL-NƯỚC

Ethanol – nước là 2 chất lỏng hòa tan hoàn toàn vào nhau, nhiệt độ sôi của Ethanol

là 78.37 , còn của nước là 100 ở cùng áp suất 760mmHg Do có sự chênh lệch nhiệt

độ khá cao nên để thu được sản phẩm (Ethanol) có độ tinh khiết cao ta chọn phương phápchưng cất

Trong trường hợp này, ta không thể sử dụng phương pháp cô đặc vì các cấu tử đềucó khả năng bay hơi, và không sử dụng phương pháp trích ly cũng như phương pháp hấpthụ do phải đưa vào một pha mới để tách, có thể làm cho thiết bị trở nên phức tạp hơn vàquá trình tách không được hoàn toàn như mong muốn.

Tuy nhiên ethanol - nước là hỗn hợp đẳng phí nên khó tách thành các cấu tử riêngbiệt Trên thực tế có nhiều loại thiết bị chưng cất nhưng do trong bài này sử dụng suấtlượng hỗn hợp nhập liệu nhỏ nên ta chọn thiết kế chưng cất tháp đệm để quá trình chế tạođược đơn giản, trở lực nhỏ

1 Sơ đồ quy trình công nghệ

Hình 3: Sơ đồ thiết bị chưng cất

1 Bồn chứa hỗn hợp 7 Thiết bị chứa sản phẩm đỉnh

Bảng 1: Các thiết bị trong hệ thống chưng cất

2 Thuyết minh quy trình công nghệ

Hỗn hợp ethanol – nước có nồng độ ethanol là 38% (theo phần mol), nhiệt độ khoảng

25 ở thùng chứa hỗn hợp nguyên liệu (1), được bơm (2) dẫn lên bồn cao vị (3) Từđó được đưa đến thiết bị trao đổi nhiệt (4) Sau đó hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất(tháp đệm) ở đĩa nhập liệu

Tại đĩa nhập liệu, chất lỏng từ hỗn hợp đầu được trộn với pha lỏng từ trên đi xuống từđoạn cất và với pha hơi đi dưới đi lên từ đoạn chưng

Trong tháp, pha hơi đi từ dưới lên, pha lỏng đi từ trên xuống Ở đây, có sự tiếp xúc vàtrao đổi giữa 2 pha với nhau Trong đoạn chưng, càng đi xuống dưới, nồng độ cấu tử dễbay hơi trong pha lỏng càng giảm do bị cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi từ nồi đun (10) đilên lôi cuốn Hơi càng lên cao thì nheiejt độ càng giảm, nên khi đi qua lớp đệm từ dướilên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao là nước sẽ ngưng tụ lại đi xuống dưới Cấu tử có nhiệt

độ sôi thấp là ethanol sẽ lôi kéo các cấu tử ethanol trong pha lỏng đi lên trên, cuối cùng

trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử ethanol chiếm nhiều nhất Hơi ở đỉnhđược dẫn qua

thiết bị ngưng tụ và được ngưng tụ hoàn toàn (8) Một phần lỏng được hồi thu vào thápchưng cất còn phần lớn chất lỏng ngưng tụ đi qua thiết bị làm nguội (9) và được đưa vàothùng chứa sản phẩm đỉnh, được làm ngồi đến 30 , rồi được đưa qua bồn chứa sản phẩmđỉnh Phần còn lại của chất lỏng ngưng tụ được hoàn lưu về tháp ở đĩa trên cùng với tỉ sốhoàn lưu tối ưu Một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp được bốc hơi tại van xã khí, còn lạicấu tử có nhiệt độ sôi cao trong chất lỏng ngày càng tăng Cuối cùng, ở đáy tháp ta thuđược hỗn hợp lỏng hầu hết là các cấu tử khó bay hơi (nước) Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng

độ ethanol là 0.1 % phần mol, còn lại là nước Dung dịch lỏng ở đáy đi ra khỏi tháp vàonồi đun kettle (10) Trong nồi đun dung dịch lỏng một phần sẽ bốc hơi cung cấp lại chotháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại ra khỏi nồi đun được cho vào bồn chứa Hệ thốnglàm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là ethanol, sản phẩm đáy sau khi ra khỏi nồi đunđược đưa vào thiết bị làm nguội và chuyển về thùng chứa sản phẩm đáy

B TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ I: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH

- GR: lượng chất lỏng hồi lưu, kmol/h

- xF, xD, xW: nồng độ phần mol pha lỏng của hỗn hợp đầu vào, sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy theo ethanol, kmol/kmol

- aF, aD, aW: nồng độ phần khối lượng pha lỏng hỗn hợp đầu vào, sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy theo ethanol, kg/kg

- yF, yD, yw: nồng độ phần mol pha hơi của hỗn hợp nhập liệu, sản phẩm đỉnh và sảnphẩm đáy theo ethanol, kmol/kmol

- YF, YD, YW: nồng độ phần khối lượng pha hơi hỗn hợp nhập liệu, sản phẩm đỉnh

và sản phẩm đáy theo ethanol, kg/kg

- A, B: lần lượt là kí hiệu của ethanol và nước

- MF, MD, MW: lần lượt là khối lượng phân tử trung bình của hỗn hợp đầu vào, đỉnh

và đáy, kg/kmol

- MA, MB - Khối lượng phân tử của ethanol và nước

Các thông số ban đầu từ đề tài:

Năng suất của hỗn hợp đầu vào: GF= 2000 Kg/h

Nồng độ đầu vào theo ethanol: aF = 0,38 kg/kg

Nồng độ sản phẩm đỉnh theo ethanol: aD = 0,97 kg/kg

Nồng độ sản phẩm đáy theo ethanol: aW= 0,032 kg/kg

Từ [1], [2] phương trình trên ta suy ra:

Suất lượng mol của sản phẩm đáy là:

21, 615

 92,53(kmol/h)

1.1 PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LÀM VIỆC CỦA THÁP

1.1.1 Xác định chỉ số hồi lưu tối thiếu (R min )

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1

Theo số liệu từ bảng IX.2a Sổ tay quá trình và thiết bị Công nghệ hóa chất – Tập 2 ta cóthành phần cân bằng lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp 2 cấu tử ethanol –Nước ở 760 mmHg (% mol) như sau:

Từ số liệu trên ta vẽ đồ thị đường cân bằng lỏng (x) – hơi (y):

Hình 4: Phương trình cân bằng lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp 2 cấu tử

ethanol – Nước ở 760 mmHgVới giá trị xF = 0,256 ta xác định trên giản đồ theo phương pháp nội suy sẽ được giá trị

yF*= 0,627

Rmin được tính theo công thức:

Trong đó: b là hệ số dư

Thông thường chỉ số hồi lưu thích hợp được tính lựa chọn dựa trên chỉ tiêu kinh tế - kỹthuật nhưng khó tính toán do thiếu số liệu, nên trong tính toán thiết kế, có thể lấy gầnđúng giá trị Rx theo kinh nghiệm: công thức (IX 25a) trang 158, công thức (IX 25) trang159) [7]

R x  1,3Rmin  0,3 1,3 0,865  0,3 1, 42

Phương trình đường làm việc của tháp

Theo công thức (IX 20) trang 144 [7], phương trình đường làm việc của đoạn cất:

Trong đó: y là nồng độ phần mol cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi đi từ đĩa dưới lên đĩa trên

x là nồng độ phần mol cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng chảy từ đĩa đó xuống

Thay các giá trị R x , x D vào công thức ta được:

y  1, 42 x  0,948  0,587x  0,392