Đồ án tốt nghiệp: Tính toán hệ thống chưng luyện liên tục tách acetone - nước

Đồ án tốt nghiệp tính toán hệ thống chưng luyện liên tục tách acetone nước. Tài liệu tham khảo đầy đủ, chi tiết các bước tính toán và thuyết minh.

• Tác giả: Trần Văn Phúc
• Người hướng dẫn: Giảng viên Lê Xuân Hải
• Chuyên ngành: Công nghệ Hóa học
• Đề tài: Đồ án chưng luyện liên tục tách acetone nước
• Loại tài liệu: Đồ án môn học

Tóm tắt

I. Giới Thiệu Về Đồ Án Chưng Luyện Liên Tục Tách Acetone Nước

Đồ án chưng luyện liên tục tách acetone nước là một quá trình công nghiệp quan trọng trong lĩnh vực hóa học và công nghệ hóa dầu. Acetone là một chất hữu cơ có giá trị cao, được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất các hợp chất hóa học, dung môi và nhiều ngành công nghiệp khác. Quá trình tách acetone từ dung dịch nước thông qua chưng luyện liên tục đòi hỏi kiến thức chuyên sâu về nhiệt động lực học, truyền khối và thiết kế thiết bị. Bài viết này sẽ cung cấp hướng dẫn chi tiết về lý thuyết, thiết kế và ứng dụng thực tế của đồ án này.

1.1. Khái Niệm Chưng Luyện Liên Tục

Chưng luyện liên tục là quá trình tách các thành phần chất lỏng dựa trên sự khác biệt về điểm sôi. Trong trường hợp tách acetone nước, acetone có điểm sôi thấp hơn (56°C) so với nước (100°C), giúp dễ dàng tách chiết. Quá trình này hoạt động không ngừng, cho phép sản xuất ổn định và hiệu quả cao.

1.2. Tầm Quan Trọng Trong Công Nghiệp

Tách acetone nước hiệu quả giúp giảm chi phí sản xuất, tăng năng suất và cải thiện chất lượng sản phẩm. Ứng dụng này rất phổ biến trong các nhà máy sản xuất acetone, xử lý nước thải chứa acetone và tái chế các dung dịch hóa học có giá trị.

II. Nguyên Lý Và Lý Thuyết Cơ Bản

Nguyên lý của chưng luyện liên tục dựa trên định luật Raoult và khái niệm về độ dễ bay hơi tương đối. Khi gia nhiệt dung dịch acetone-nước, acetone sẽ bay hơi trước do điểm sôi thấp hơn. Quá trình này được điều khiển bởi cân bằng pha giữa chất lỏng và hơi. Hiểu rõ các tính chất nhiệt động lực học, độ lưu động, khả năng dẫn nhiệt và sự truyền khối là chìa khóa để thiết kế một hệ thống hiệu quả.

2.1. Cân Bằng Pha Và Sơ Đồ Cân Bằng

Sơ đồ cân bằng acetone-nước cho thấy mối quan hệ giữa thành phần pha lỏng và pha hơi ở các nhiệt độ khác nhau. Đường cân bằng cong cho thấy rằng acetone tập trung cao hơn trong pha hơi, tạo cơ sở cho sự tách chiết. Dữ liệu cân bằng được sử dụng để tính toán số lý tưởng các tầng cần thiết.

2.2. Độ Dễ Bay Hơi Tương Đối

Độ dễ bay hơi tương đối (α) giữa acetone và nước khoảng 10-12 ở điều kiện bình thường, cho biết acetone dễ tách chiết so với nước. Giá trị này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất tách và số tầng cần thiết trong cột chưng luyện. Các tham số này được tối ưu hóa để đạt hiệu quả cao nhất.

III. Thiết Kế Và Quy Trình Kỹ Thuật

Thiết kế một hệ thống chưng luyện liên tục tách acetone nước bao gồm lựa chọn loại cột (tầng đĩa hay tầng đóng gói), tính toán số tầng lý thuyết và thực tế, xác định tỷ lệ phản xạ, thiết kế hệ thống làm lạnh và đun nóng, cũng như hệ thống kiểm soát quá trình. Quy trình gồm ba bước chính: chuẩn bị nguyên liệu, chưng cất liên tục với điều khiển tham số, và tách acetơn thô từ các tế bào điều tiết.

3.1. Tính Toán Số Tầng Và Điều Kiện Hoạt Động

Sử dụng phương pháp McCabe-Thiele hoặc phương pháp Fenske-Underwood-Gilliland để tính số tầng lý thuyết cần thiết. Với các điều kiện điển hình, số tầng lý thuyết khoảng 8-12 tầng. Số tầng thực tế cao hơn do hiệu suất tầng không đạt 100%. Nhiệt độ đun nói dáy cột thường ở 120-140°C để tránh phân hủy acetone.

3.2. Hệ Thống Làm Lạnh Và Điều Khiển

Hệ thống ngưng tụ ở đỉnh cột duy trì nhiệt độ 45-55°C để tối đa hóa acetone trong hơi ngưng tụ. Bộ điều khiển tự động giữ áp suất, nhiệt độ và tỷ lệ phản xạ ổn định. Nhiệt trao đổi được thiết kế để xử lý lượng nhiệt lớn từ quá trình chưng cất liên tục.

IV. Ứng Dụng Thực Tế Và Kết Luận

Trong thực tế công nghiệp, đồ án tách acetone nước được áp dụng trong các nhà máy sản xuất acetone, xử lý nước thải công nghiệp, và tái chế dung dịch. Với thiết kế tối ưu, hệ thống này có thể đạt hiệu suất tách 95-98% và năng suất khoảng 1000-5000 kg/ngày tùy theo quy mô. Những thách thức chính bao gồm kiểm soát quá trình, tiết kiệm năng lượng, và an toàn hoạt động. Đồ án này đóng vai trò quan trọng trong nâng cao giá trị kinh tế và bảo vệ môi trường.

4.1. Hiệu Suất Và Năng Suất Thực Tế

Các nhà máy hiện đại có thể đạt hiệu suất tách acetone trên 95% với công suất hàng ngày từ 1-5 tấn. Tiêu hao năng lượng thường khoảng 2-3 MJ/kg acetone tách được, phụ thuộc vào thiết kế cột và điều kiện hoạt động. Tối ưu hóa liên tục giúp giảm chi phí vận hành.

4.2. Hướng Phát Triển Tương Lai

Tương lai của công nghệ này hướng đến các giải pháp tiết kiệm năng lượng như sử dụng màng phân tách, chưng cất ở áp suất thấp, và tích hợp năng lượng tái tạo. Những cải tiến này sẽ giảm tác động môi trường và chi phí sản xuất, giúp ngành công nghiệp hóa chất trở nên bền vững hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ ACETONE VÀ QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang 5 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI 1. Giới thiệu sơ bộ : Acetone có công thức phân tử : CH3COCH3 .Khối lượng phân tử bằng 58.079 đvC Là một chất lỏng không màu, dễ lưu động và dễ cháy, với một cách êm dịu và có mùi thơm. Nó hòa tan vô hạn trong nước và một số hợp chất hữu cơ như : eter, metanol, etanol, diacetone alcohol… Ứng dụng : Acetone được ứng dụng nhiều làm dung môi cho công nghiệp, ví dụ cho vecni, sơn, sơn mài, cellulose acetate, nhựa, cao su … Nó hồ tan tốt tơ acetate, nitroxenluloz, nhựa phenol focmandehyt, chất béo, dung môi pha sơn, mực in ống đồng. Acetone là nguyên liệu để tổng hợp thủy tinh hữu cơ.

Từ Acetone có thể tổng hợp ceten, sumfonat (thuốc ngủ), các holofom. Được tìm thấy đầu tiên vào năm 1595 bởi Libavius, bằng chưng cất khan đường, và đến năm 1805 Trommsdorff tiến hành sản xuất Acetone bằng cách chưng cất Acetat của bồ tạt và sođa : là một phân đoạn lỏng nằm giữa phân đoạn rượu và eter. Một số thông số vật lý và nhiệt động của Acetone :  Nhiệt độ nóng chảy : -94.9 0C ;  Tỷ trọng : ;  Nhiệt dung riêng Cp : 22 Kcal/mol (chuẩn ở 102 0C)  Độ nhớt  : 0.316 cp ( ở 250C)  Nhiệt trị : 0.5176 cal/g ( ở 200C) Tính chất hố học : Cộng hợp với natri bisunfit: OH CH3COCH3 + H2O  CH3 - C - SO3Na CH3 ( 1-metyl-1-hydroxi etan sunfonát natri ) SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang 6 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI Cộng hợp axit HCN: OH CH3CO + HCN  CH3-C-CN CH3 ( pH= 4-8 ) Phản ứng ngưng tụ : OH O CH3-CO-CH3 + HCH2C=O  CH3-C-CH3-C-CH3 CH3 CH3 ( 4-oxy-4-mêtyll-2-pentanon) Acetone khó bị oxi hóa bởi thuốc thử Pheling, Tôluen, HNO3đđ, KMnO4 ,… Chỉ bị oxi hóa bởi hỗn hợp KMnO4 + H2SO4, Sunfôcrômic K2Cr2O7 + H2SO4… Bị gãy mạch cacbon. CH3-C-CH3  CH3-C-CH2-OH  CH3-C-CH=O  CH3COOH + HCOOH O O O Phản ứng khử hố : CH3COCH3 + H2  CH3CHOH-CH3 Điều chế : Oxy hóa rượu bậc hai: CH3CHOH-CH3  CH3COCH3 + H2O Theo phương pháp Piria : nhiệt phân muối canxi của axit cacboxylic: (CH3COO)2Ca  CH3COCH3 + CaCO3 Từ dẫn xuất cơ magiê : O O CH3-C-Cl + CH3-MgBr  CH3-C-CH3 + Mg-Br Cl 2.

Sản xuất Acetone : Trong thời kỳ chiến tranh thế giới lần thứ nhất, do nhu cầu về nguồn Acetone rất lớn, tong khi có sự giới hạn trong việc thu dược Acetone từ sự chưng cất gỗ, nên để bổ sung nguồn Acetone Hoa Kỳ đã áp dụng phương pháp chưng cất khan Ca(CH 3COO)2 – thu được bằng cách lên men rượu có mặt xúc tác vi khuẩn để chuyển carbohydrate thành Acetone và Butyl Alcohol.Công nghệ này được ứng dụng chủ yếu trong suốt chiến tranh thế giới lần thứ nhất và những năm 20. Tuy nhiên, đến giữa những năm 20 và cho đến nay công nghệ trên được thay bằng công nghệ có hiệu quả hơn (chiếm khoảng ¾ phương pháp sản xuất Acetone của Hoa Kỳ) : Dehydro Isopropyl Alcol. Ngồi ra, còn một số qúa trình sản xuất Acetone khác : - Oxi hóa Cumene Hydro Peroxide thành Phenol và Acetone. - Oxi hóa trực tiếp Butan – Propan.

- Lên men Carbo hydrate bởi vi khuẩn đặc biệt. - Công ty Shell sử dụng nó như một sản phẩm phụ. SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang 7 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI Tổng hợp Acetone bằng cách Dehydro Isopropyl Alcol có xúc tác:  CH3CHOHCH3 + 15.9 Kcal (ở 3270C ) CH3COCH3 + H2  Xúc tác sử dụng ở đây : đồng và hợp kim của nó, oxit kim loại và muối.  Ở nhiệt độ khoảng 325 0C , hiệu suất khoảng 97%.

 Dòng khí nóng sau phản ứng gồm có : Acetone, lượng Isopropyl Alcol chưa phản ứng, H2 và một phần nhỏ sản phẩm phụ ( như Propylene, diisopropyl eter …). Hỗn hợp này được làm lạnh và khí không ngưng được lọc bởi nước. Dung dịch lỏng được đem đi chưng cất phân đoạn, thu được Acetone ở đỉnh và hỗn hợp của nước, Isopropyl Alcol ( ít ) ở đáy. Công nghệ chưng cất hỗn hợp Acetone –Nước : Ta có Acetone là một chất lỏng tan vô hạn trong nước và nhiệt độ sôi của Acetone ( 56.9 0C ở 760 mmHg) và Nước ( 100 0C ở 760 mmHg) : là khá cách xa nhau nên phương pháp hiệu quả nhất để thu được Acetone tinh khiết là chưng cất phân đoạn dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp.

Trong trường hợp này ta không thể sử dụng phương pháp cô đặc vì các cấu tử đều có khả năng bay hơi, và không sử dụng phương pháp trích ly cũng như hấp thụ do phải đưa vào một pha mới để tách chúng, có thể làm cho quá trình phức tạp hơn, hay quá trìng tách không được hồn tồn. Chọn loại tháp chưng cất và phương pháp chưng cất :  Chưng cất là quá trình phân tách các hỗn hợp lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào sự khác nhau về độ bay hơi của chúng ( hay nhiệt độ sôi ), bằng cách lặp đi lặp lại nhiều lần quá trình bay hơi – ngưng tụ, trong đó vật chất đi từ pha lỏng vào pha hơi hoặc ngược lại.  Đối với chưng cất ta có hai phương pháp thực hiện : - Chưng cất đơn giản (dùng thiết bị hoạt động theo chu kỳ): Phương pháp này sử dụng trong các trường hợp sau : + Khi nhiệt độ sôi của các cấu tử khác xa nhau. + Khi không 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 cất liên tục hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục): là quá trình được thực hiện liên tục, nghịch dòng, nhiều đoạn. Ngồi ra còn có thiết bị hoạt động bán liên tục.

 Trong trường hợp này, do sản phẩm là Acetone – với yêu cầu có độ tinh khiết cao khi sử dụng , cộng với hỗn hợp Acetone – Nước là hỗn hợp không có điểm đẳng phí nên chọn phương pháp chưng cất liên tục là hiệu quả nhất.  Chọn loại tháp chưng cất : Có rất nhiều loại tháp được sử dụng, nhưng đều có chung một yêu cầu cơ bản là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều này phụ thuộc vào độ phân tán của một lưu chất này vào lưu chất kia. Ta khảo sát hai loại tháp chưng cất thường dùng là tháp mâm và tháp chêm: SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang 8 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI - Tháp mâm gồm thân tháp hình trụ, thẳng đứng, phía trong có gắn các mâm có cấu tạo khác nhau, trên đó pha lỏng và pha hơi được cho tiếp xúc với nhau. Gồm có : mâm chóp, mâm xuyên lỗ , mâm van.

Thường sử dụng mâm chóp. - Tháp chêm là một tháp hình trụ, gồm nhiều đoạn nối với nhau bằng mặt bích hay hàn. Vật chêm được đổ đầy trong tháp theo một hay hai phương pháp : xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự. Chọn loại mâm chóp để thực hiện quá trình chưng cất vì những ưu điểm sau: - Dễ dàng làm vệ sinh thông qua các cửa sữa chữa.

- Với cùng một chức năng, tổng khối lượng tháp mâm thường nhỏ hơn so với tháp chêm. - Hiệu suất mâm không đổi đối với một khoảng vận tốc dòng lỏng hoặc khí. - Có thể lắp đặt ống xoắn giải nhiệt trên mâm khi cần thiết. - Tháp mâm thích hợp trong trường hợp có số mâm lý thuyết hoặc số đơn vị truyền khối lớn.

- Tháp được thiết kế để có thể giữ được một lượng lỏng nhất định trên mâm. - Chi phí tháp mâm có đường kính lớn rẻ hơn so với tháp đệm. - Dễ dàng đưa vào hoặc loại bỏ các dòng bên. - Tính ổn định cao.

Sơ đồ qui trình công nghệ và thuyết minh qui trình công nghệ : a. Sơ đồ qui trình công nghệ (xem trang sau) SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang 9 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI SVTH: TRẦN VĂN PHÚC Trang 10 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: LÊ XUÂN HẢI Chú thích : 1. Bồn chứa nguyên liệu. Bồn cao vị.

Tháp chưng cất. Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh. Bộ phận chỉnh dòng. Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh.

Bồn chứa sản phẩm đỉnh. Đun sôi nhập liệu bằng sản phẩm đáy. Thuyết minh qui trình công nghệ : Hỗn hợp Acetone- Nước có nồng độ Acetone 30% ( theo khối lượng) , nhiệt độ khoảng 27 0C tại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3). Từ đó được đưa đến thiết bị gia nhiệt (3) ( trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy).

Ở đây, hỗn hợp được đun sôi đến nhiệt độ sôi. Sau đó, hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất (7) ở đĩa nhập liệu. Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn cất của tháp chảy xuống. Trong tháp hơi, đi từ dưới lên gặp chất lỏng từ trên xuống.

Ở đây, có sự tiếp xúc và trao đổi giữa hai pha với nhau. Pha lỏng chuyển động trong phần chưng càng xuống dưới càng giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi tạo nên từ nồi đun (12) lôi cuốn cấu tử dễ bay hơi. Nhiệt độ càng lên trên càng thấp, nên khi hơi đi qua các đĩa từ dưới lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao là nước sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử Acetone chiếm nhiều nhất ( có nồng độ 98% theo khối lượng ). Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ (8) và được ngưng tụ một phần ( chỉ ngưng tụ hồi lưu).

Một phần chất lỏng ngưng đi qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (10), được làm nguội đến 30 0 C , rồi được đưa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh (11). Phần còn lại của chất lỏng ngưng được hồi lưu về tháp ở đĩa trên cùng với tỷ số hồn lưu tối ưu. Một phần cấu tử có nhioệt độ sôi thấp được bốc hơi, còn lại cấu tử có nhiệt độ sôi cao trong chất lỏng ngày càng tăng. Cuối cùng, ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng gồm hầu hết là cấu tử khó bay hơi ( nước).

Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độ Acetone là 2% theo khối lượng, còn lại là nước.