Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.88 MB, 138 trang )
<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">
Nội dung đề tài:
Thiết kế hệ thống chưng luyện liên tục loại tháp chóp để phân tách hỗn hợp: Nước- CH3COOH
Năng suất hỗn hợp đầu 5,6 Tấn/giờ Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong
</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3"><b>I. Giới thiệu về chưng cất</b>
Chưng luyện là một phương pháp chưng cất nhằm để phân tách một hỗn hợp khí đã hóa lỏng dựa 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 trưng luyện trong đó hỗn hợp được bốc hơi và ngưng tụ nhiều lần, kết quả cuối cùng ở đỉnh tháp thu được một hỗn hợp gồm hầu hết các 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 bị phân tách đa dạng như tháp chóp, tháp đĩa lỗ, tháp đĩa lỗ khơng có ống chảy truyền, tháp đệm… Trong đồ án này em được giao thiết kế tháp chưng luyện liên tục dạng nhằm phân tách 2 cấu tử Nước – Axit Axetic , chế độ làm việc ở áp suất thường với hỗn hợp đầu vào ở nhiệt độ sôi.
Nước – Axit Axetic là hỗn hợp lỏng thường gặp trong thực tế. việc tách riêng 2 cấu tử này có ý nghĩa quan trọng bởi cần Axit Axetic có nồng độ lớn dùng làm nguyên liệu sản xuất các hợp chất và thực phẩm hiện nay.Giới thiệu về hỗn hợp chưng
<b>II. Giới thiệu về hỗn hợp chưng1.Nước</b>
Trong điều kiện bình thường: nước là chất lỏng khơng màu, khơng mùi, khơng vị nhưng khối nước dày sẽ có màu xanh nhạt.
Khi hóa rắn nó có thể tồn tại ở dạng 5 tinh thể khác nhau. • Khối lượng phân tử : 18g/mol
• Khối lượng riêng d4oc : 1g/ml
Nước là dung mơi phân cực mạnh, có khả năng hịa tan nhiều chất và là dung mơi rất quan trọng trong kỹ thuật hóa học.
</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">• Tan trong nước, rượu và ete theo bất kỳ tỷ lệ nào
• Là một axit yếu, hằng số phân ly nhiệt động của nó ở 25<small>o</small> C là K = 1,75.10<small>-5</small> Tính ăn mịn kim loại:
• Axit Axetic ăn mịn sắt.
• Nhơm bị ăn mịn bởi axit lỗng, nó đề kháng tốt với axit axetic đặc và thuần khiết. Đồng và chì bị ăn mịn bởi axit axetic với sự hiện diện của khơng khí. • Thiếc và một số loại thép Nikel – Crom đề kháng tốt với axit axetic.
2.2 Điều chế:
Axit axetic điều chế bằng cách:
1) Oxy hóa có xúc tác đối với cồn etylic để biến thành anđêhit axetic, là một giai đoạn trung gian. Sự oxy hóa kéo dài sẽ tiếp tục oxy hóa ânđêhit axetic thành axit axetic.
CH<small>3</small>CHO + O<small>2</small> CH<small>3</small>COOH C<small>2</small>H<small>5</small>OH + O<small>2</small> CH<small>3</small>COOH + H<small>2</small>O
2) Oxy hóa andehit axetic được tạo thành bằng cách tổng hợp từ axetylen coban axetat. Người ta thao tác trong andehit axetic ở nhiệt độ gần 80<small>o</small>C để ngăn chặn sự hình thành peoxit. Hiệu suất đạt 95 ÷ 98 % so với lý thuyết. Người ta đạt được như thế rất dễ dàng sau khi điều chế axit axetic kết tinh được.
CH<small>3</small>CHO + O<small>2</small> Coban axetat ở 80<small>o</small>C CH<small>3</small>COOH 3) Tổng hợp đi từ cồn metylic và Cacbon oxit.
Hiệu suất có thể đạt 50 ÷ 60% so với lý thuyết bằng cách cố định cacbon oxit trên cồn meetylic qua xúc tác.
Nhiệt độ từ 200 ÷ 500<small>o</small>C, áp suất 100 ÷ 200 atm. CH<small>3</small>OH + CO CH<small>3</small>C
với sự hiện diện của metaphotphit hoặc photpho – vonframat kim loại 2 và 3 hóa trị (chẳng hạn sắt, coban).
</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">Trong đó:
1- Thùng chứa hỗn hợp đầu 6- Thiết bị ngưng tụ hồi lưu
2- Bơm 7- Thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh 3- Thùng cao vị 8- Thùng chứa sản phẩm đỉnh 4- Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 9- Thiết bị gia nhiệt đáy tháp 5- Tháp chưng luyện 10- Thùng chứa sản phẩm đáy 11- Lưu lượng kế
</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8"><b>2 . Thuyết minh dây chuyền sản xuất:</b>
Dung dịch đầu ở thùng (1) được bơm (2) bơm liên tục lên thùng cao vị (3), mức chất lỏng cao nhất ở thùng cao vị được khống chế nhờ ống chảy tràn, từ thùng cao vị dung dịch được đưa vào thiết bị đun nóng (4) qua lưu lượng kế (11), ở đây dung dịch được đun nóng đến nhiệt độ sơi bằng hơi nước bão hoà, từ thiết bị gia nhiệt (4) dung dịch được đưa vào tháp chưng luyện (5) nhờ đĩa tiếp liệu, trong tháp hơi đi từ dưới lên gặp chất nỏng đi từ trên xuống, nhiệt độ và nồng độ các cấu tử thay đổi theo chiều cao của tháp. Vì vậy hơi từ đĩa phía dưới lên đĩa phía trên, các cấu tử có nhiệt độ sơi cao (CH<small>3</small>COOH) sẽ được ngưng tụ lại và cuối cùng trên đỉnh ta thu được hỗn hợp gồm hầu hết các cấu tử dễ bay hơi (Nước). Hơi đó đi vào thiết bị ngưng tụ hồi lưu (6), ở đây nó được ngưng tụ lại.
Một phần chất lỏng đi qua thiết bị làm lạnh (7) để làm lạnh đến nhiệt độ cần thiết rồi đi vào thùng chứa sản phẩm đỉnh (8), một phần khác hồi lưu về tháp ở đĩa trên cùng. Chất lỏng đi từ trên xuống gặp hơi có nhiệt độ cao hơn, một phần cấu tử có nhiệt độ sơi thấp được bốc hơi và do đó nồng độ cấu tử khó bay hơi trong chất lỏng ngày càng tăng và cuối cùng ở đáy tháp ta thu dược hỗn hợp lỏng gồm hầu hết là cấu tử khó bay hơi. Chất lỏng đi ra khỏi tháp được làm lạnh rồi đi vào thùng chứa sản phẩm đáy (10). Như vậy với thiết bị làm việc liên tục thì hỗn hợp đầu được đưa vào liên tục và sản phẩm cũng được tháo ra liên tục.
-Tháp chóp
Ưu điểm : hiệu suất truyền khối cao , ổn định , ít tiêu hao năng lượng hơn nên có số mâm ít hơn
Nhược điểm : chế tạo phức tạp , trở lực lớn
<b>3 . Các kí hiệu trước khi tính:</b>
Giả thiết
+ 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 luyện. + Hỗn hợp đầu đi vào tháp ở nhiệt độ sôi.
+ Chất lỏng ngưng tụ trong thiết bị ngưng tụ có thành phần bằng thành phần của hơi đi ra ở đỉnh tháp.
+ Cấp nhiệt ở đáy tháp bằng hơi đốt gián tiếp.
</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">Yêu Cầu thiết bị:
F: Năng suất thiết bị tính theo hỗn hợp đầu. F = 5,6(tấn/h) Thiết bị làm việc ở áp suất thường
Tháp chưng loại: tháp chóp Điều kiện:
aF : Nồng độ H<small>2</small>O trong hỗn hợp đầu = 0,311(phần khối lượng) aP : Nồng độ H<small>2</small>O trong sản phẩm đỉnh = 0,956(phần khối lưọng) aW : Nồng độ H<small>2</small>O trong sản phẩm đáy = 0,012(phần khối lượng) MA: Khối lượng phân tử của H<small>2</small>O = 18(kg/kmol)
MB: Khối lượng phân tử của CH<small>3</small>COOH= 60(kg/kmol)
</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10"><b>1. Tính tốn cân bằng vật liệu:</b>
Phương trình cân bằng vật liệu của tồn tháp
</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12"><i><small>G</small><sub>W</sub><small>=W '= W</small></i>
<i><small>M</small><sub>W</sub></i><sup>= 3826.27</sup><small>58.362</small> <sup>=65.561</sup> (Kmol/h)
</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13"><b>2. Xác định số bậc thay đổi nồng độ (số đĩa lý thuyết)2.1 Xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu (</b><i><small>R</small><sub>min</sub></i><b>)</b>
Dựng đường cân bằng theo bảng:
</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14">Từ giá trị <i><small>X</small><sub>F</sub></i><small>=0.601</small> dóng lên đường cân bằng y*- x ta được y*<small>F </small>=0.7168
</div><span class="text_page_counter">Trang 15</span><div class="page_container" data-page="15">Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết với <i><small>β=1.2, N</small></i><small>¿</small><i><small>=39,B=0.26</small></i>
Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết với <i><small>β=1.4 ,N</small></i><small>¿</small><i><small>=31,B=0.231</small></i>
</div><span class="text_page_counter">Trang 16</span><div class="page_container" data-page="16">Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết với <i><small>β=1.5 , N</small></i><sub>¿</sub><i><small>=29,B=0.219</small></i>
Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết với <i><small>β=1.6, N</small></i><small>¿</small><i><small>=27 ,B=0.209</small></i>
</div><span class="text_page_counter">Trang 17</span><div class="page_container" data-page="17">Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết với <i><small>β=1.7, N</small></i><small>¿</small><i><small>=26,B=0.198</small></i>
Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết với <i><small>β=1.8, N</small></i><small>¿</small><i><small>=25,B=0.19</small></i>
</div><span class="text_page_counter">Trang 18</span><div class="page_container" data-page="18">Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết với <i><small>β=2.0, N</small></i><sub>¿</sub><i><small>=24, B=0.174</small></i>
Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết với <i><small>β=2.2, N</small></i><small>¿</small><i><small>=22, B=0.161</small></i>
</div><span class="text_page_counter">Trang 19</span><div class="page_container" data-page="19">Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết với <i><small>β=2.4 ,N</small></i><small>¿</small><i><small>=22,B=0.149</small></i>
Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết với <i><small>β=2.5, N</small></i><small>¿</small><i><small>=21,B=0.144</small></i>
</div><span class="text_page_counter">Trang 20</span><div class="page_container" data-page="20">Từ các đồ thị xác định số đĩa lý thuyết ta được bảng trên.
Lập đồ thị quan hệ giữa <i><small>R</small><sub>x</sub><small>−N</small></i><sub>¿</sub><i><small>.</small></i>(<i><small>R</small><sub>x</sub></i><small>+1</small>). Qua đó ta thấy với <i><small>R</small><sub>x</sub></i><small>=3.728</small> thì
<i><small>N</small></i><sub>¿</sub><i><small>.</small></i>(<i><small>R</small><sub>x</sub></i><small>+1</small>)<small>=127.656</small> là nhỏ nhất hay thể tích tháp nhỏ nhất. Vậy <i><small>R</small><sub>th</sub></i><small>=3.728</small>
Với <i><small>R</small><sub>th</sub></i><small>=3.728</small> thì số đĩa lý thuyết : <i><small>N</small></i><sub>¿</sub><small>=27</small> đĩa.
<b>2.2 Phương trình làm việc của đoạn luyện :</b>
y : nồng độ phần mol cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi đi từ dưới lên. x : nồng độ phần mol cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng chảy từ đĩa xuống. R<small>x</small> : chỉ số hồi lưu.
Thay số vào ta có :
Y<small>l</small>=
<i><b>→ y<small>l</small> = 0,7885x + 0,2085</b></i>
<b>2.3 Phương trình làm việc đoạn chưng:</b>
<i><small>g</small><sub>tb</sub></i>: lượng hơi đi trong tháp( lượng trung bình) Kg/h <i><small>ρ</small><sub>y</sub></i>: khối lượng riêng trung bình Kg/m<small>3</small>
<i><small>ω</small><sub>y</sub></i>: tốc độ hơi đi trung bình trong tháp Kg/m<small>2</small>s
Vì lượng hơi và lượng lỏng thay đổi theo chiều cao mỗi đoạn nên ta phải tính lượng hơi trung bình cho từng đoạn
<b>1. Tính lưu lượng các dịng pha đi trong tháp: (có thể hiểu rằng P’=G<small>p</small>)1.1 Xác định lưu lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện:</b>
Lượng hơi trung bình đi trong tháp chưng luyện có thể tính gần đúng bằng trung bình cộng của lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp và đĩa dưới cùng của đoạn luyện <i><small>g</small><sub>tb</sub></i><small>=</small><i><sup>g</sup><small>d+g</small></i><sub>1</sub>
<i><small>g</small><sub>tb</sub></i>: lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện [ kmol/ h ] <i><small>g</small><sub>đ</sub></i>: lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp [kmol/ h] <i><small>g</small></i><sub>1</sub>: lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện [ kmol/ h] + Lượng hơi ra khỏi đỉnh tháp: <i><small>g</small><sub>đ</sub><small>=G</small><sub>R</sub><small>+G</small><sub>P</sub><small>=G</small><sub>P</sub><small>.</small></i>
<i><small>g</small><sub>đ</sub><small>=G</small><sub>R</sub><small>+G</small><sub>P</sub><small>=G</small><sub>P</sub><small>.</small></i>(<i><small>R</small><sub>th</sub></i><small>+1</small>)<small>=95.423</small>(<small>3.728+1</small>)<i><small>=451.16 (kmol/h)</small></i>
+ Lượng hơi đi vào đoạn luyện
Lượng hơi <i><small>g</small></i><sub>1</sub>, hàm lượng hơi <i><small>y</small></i><sub>1</sub> và lượng lỏng <i><small>G</small></i><sub>1</sub> đối với đĩa thứ nhất của đoạn luyện được xác định theo phương trình cân bằng vật liệu: Phương trình cân bằng vật liệu đối với cấu tử dễ bay hơi:
Trong đó <i><small>r</small></i><sub>1</sub>: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa
<i><small>r</small><sub>đ</sub></i>: ẩn nhiệt hóa hơi của cấu tử hỗn hợp hơi ra đỉnh tháp
</div><span class="text_page_counter">Trang 25</span><div class="page_container" data-page="25">Với r<small>A</small> : ẩn nhiệt hóa hơi của cấu tử nguyên chất nước r<small>B</small> : ẩn nhiệt hóa hơi của cấu tử nguyên chất axetic
Bảng cân bằng lỏng hơi của Nước và CH<small>3</small>COOH cần nội suy và từ t<small>F</small> = 103,289<small>o</small>C tra bảng I.212- STQTQB T1-trang 254 và trang 256:
</div><span class="text_page_counter">Trang 26</span><div class="page_container" data-page="26">x% x<small>1</small> x<small>P</small> x<small>2</small>
Nhiệt độ sôi của hỗn hợp đỉnh (y<small>đ</small> = x<small>P </small>= 0,986): Từ bảng thành phần cân bằng lỏng-hơi (Nước - CH<small>3</small>COOH) ở 1at bảng IX2a (II-145), nội suy theo công thức (a) trang 28(với t<small>F</small>
</div><span class="text_page_counter">Trang 28</span><div class="page_container" data-page="28"><b>1.2 Lượng hơi trung bình trong đoạn chưng : (có thể hiểu rằng W’=G<small>w</small>)</b>
: lượng hơi đi vào đoạn chưng ( kmol/ h )
Vì lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đoạn luyện
Lượng hơi đi vào đoạn chưng, lượng lỏng G’<small>1</small> và hàm lượng lỏng x’<small>1</small> được xác định theo hệ phương trình cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng như sau :
</div><span class="text_page_counter">Trang 29</span><div class="page_container" data-page="29">x<small>W</small>: thành phần cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy.
r<small>1</small>: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa trên cùng của đoạn chưng. Ta có : G<small>W</small> = 65,561 (kmol/ h)
x<small>W</small> = 0,039 (phần mol) - Tính r<small>1</small>
Ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa trên cùng đoạn chưng bằng ẩn nhiệt hóa hơi đi vào đoạn luyện → r<small>1 </small>= 8321,535 (kcal/kmol)
-Tính r’<small>1</small>
r’<small>1</small> = r<small>A</small>. y’<small>1</small> + ( 1 – y’<small>1</small> ) . r<small>B</small>
r<small>A</small>, r<small>B</small> : ẩn nhiệt hóa hơi của cấu tử nguyên chất ở t<small>o</small> = t<small>W</small> r’<small>1</small> : ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp ra khỏi đoạn chưng
y’<small>1</small> = y<small>W</small> xác định theo đường cân bằng ứng với x<small>W </small>= 0,039 nội suy theo bảng cân bằng
</div><span class="text_page_counter">Trang 30</span><div class="page_container" data-page="30">Với t<small>W</small> = 115,994 <small>o</small>C ta sử dụng toán đồ I-65(trang 255- STQTTB Tập I )đối với nước và sử dụng số liệu ở bảng I-213 trang 256 - STQTTB Tập I và công thức nội suy đối với axit axetic ta có :
</div><span class="text_page_counter">Trang 31</span><div class="page_container" data-page="31"><b>2. Vận tốc hơi đi trong tháp:</b>
Tốc độ hơi ( khí ) trung bình đi trong tháp chóp xác định theo:
Trong đó:
h: khoảng cách giữa các đĩa (m)
<b>2.1 Tính khối lượng riêng trung bình của pha lỏng: </b>
</div><span class="text_page_counter">Trang 32</span><div class="page_container" data-page="32">
lỏng lấy theo nhiệt độ trung bình [ kg/ m<small>3</small> ]
a<small>tb1</small>: phần khối lượng trung bình của nước trong pha lỏng:
</div><span class="text_page_counter">Trang 33</span><div class="page_container" data-page="33">
lỏng lấy theo nhiệt độ trung bình [ kg/ m<small>3</small> ]
a<small>tb1</small>: Phần khối lượng trung bình của cấu tử nước trong pha lỏng
</div><span class="text_page_counter">Trang 35</span><div class="page_container" data-page="35"><b>2.2 Tính khối lượng trung bình của pha hơi: </b>
<i><b>a. Khối lượng trung bình pha hơi ở đoạn luyện:</b></i>
ADCT STQTTB II – 183
<i>22,4.T</i> <sup>.273</sup><sub> [ kg/ m</sub><small>3</small> ] Trong đó
M<small>A</small>, M<small>B</small> : khối lượng phân tử của rượu aceton và axit axetic T : nhiệt độ làm việc trung bình của tháp ( <small>o</small>K )
y<small>tbL</small>: Nồng độ trung bình pha hơi trong đoạn luyện
</div><span class="text_page_counter">Trang 37</span><div class="page_container" data-page="37">Sức căng bề mặt tính theo cơng thức:
</div><span class="text_page_counter">Trang 39</span><div class="page_container" data-page="39">Sử dụng cơng thức nội suy ta có: <b>3. Đường kính đoạn luyện:</b>
Đường kính đoạn luyện được tính theo công thức:
</div><span class="text_page_counter">Trang 40</span><div class="page_container" data-page="40">→điều giả sử là sai
<b>4. Đường kính đoạn chưng</b>
Đường kính đoạn chưng được tính theo công thức :
</div><span class="text_page_counter">Trang 41</span><div class="page_container" data-page="41">Với y<small>tbC </small>=0,3443(phần mol) và M<small>A</small>=M<small>nước</small>=18; M<small>B</small>=M<small>CH3COOH</small>=60 ta có: Vì đường kính đoạn chưng và đường kính đoạn luyện đều khơng thuộc đoạn d=(0,6-1,2)m ta giả sử nên ta phải giả sử lại d
<i>chọn: h= 0,35</i>
Làm tương tự như trên ta có: +Tốc độ khí của hơi đoạn luyện:
( .)<small>tb</small><i> = 0,065. φ[]. (kg/m.s ) (II-184)</i>
Thay số: ( .)<small>tbL</small> = 0,065.0,8. <b> = 0,857 (kg/m.s) </b>
D<small>L </small> = 0,0188 .
+Tốc độ khí của hơi đoạn chưng:
(.) = 0,065. φ[] . (kg/ m.s) (II-184)
Thay số: ( .) = 0,065.0,8. <b> = 1,129 (kg/ m.s)</b>
</div><span class="text_page_counter">Trang 42</span><div class="page_container" data-page="42">D<small>C</small> = 0,0188 .
<i>chọn: h= 0,45</i>
Làm tương tự như trên ta có : +Tốc độ khí của hơi đoạn luyện:
</div><span class="text_page_counter">Trang 43</span><div class="page_container" data-page="43"><b>1.Hệ số khuếch tán:</b>
<b>1.1 Hệ số khuếch tán trong pha lỏng:</b>
<i>a. Hệ số khuếch tán trong pha lỏng ở 20<small>o</small>C:</i>
Hệ số khuếch tán trong pha lỏng ở 20<small>o</small>C theo STQTTB II _ 133
M<small>A</small>, M<small>B</small> : Khối lượng mol của Nước và CH<small>3</small>COOH [ kg/ kmol ]e
v<small>A</small>, v<small>B</small> : Thể tích mol của aceton và axit acetic ( cm<small>3</small>/mol )
A: Nước=H<small>2</small>O và B: CH<small>3</small>COOH=C<small>2</small>H<small>4</small>O<small>2</small>
Tra bảng I.2 STQTTBT1- 9 ta có ρ<small>CH3COOH,20ºC</small> = 1048 kg/ m<small>3</small>
</div>