Đồ án thiết kế hệ thống chưng cất acetone nước 1500 L/h - ĐH Cần Thơ

Đồ án quá trình và thiết bị thiết kế hệ thống chưng cất liên tục hỗn hợp acetone nước năng suất 1500 l/h chi tiết, đầy đủ bảng tính và bản vẽ kỹ thuật.

• Tác giả: Đỗ Thanh Bền
• Người hướng dẫn: ThS. Thiều Quang Quốc Việt
• Trường học: Trường Đại học Cần Thơ
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Hóa học
• Đề tài: Thiết kế hệ thống chưng cất liên tục hỗn hợp acetone – nước năng suất 1500 L/h
• Loại tài liệu: Đồ án môn học
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Cần Thơ

Tóm tắt

I. Tổng quan hệ thống chưng cất liên tục acetone nước 1500 l h

Hệ thống chưng cất liên tục hỗn hợp acetone và nước năng suất 1500 L/h đóng vai trò then chốt trong ngành công nghiệp hóa chất. Acetone là dung môi hữu cơ quan trọng, có độ bay hơi cao hơn nhiều so với nước. Hỗn hợp ban đầu gồm hai cấu tử tan lẫn hoàn toàn vào nhau. Quá trình chưng cất phân tách dựa vào sự khác biệt áp suất hơi bão hòa giữa các cấu tử tại cùng nhiệt độ. Năng suất xử lý 1500 L/h đáp ứng quy mô sản xuất trong các nhà máy tái chế dung môi. Nguyên liệu nhập liệu có nồng độ ban đầu 46% khối lượng acetone. Sản phẩm đỉnh đạt độ tinh khiết tối thiểu 96% khối lượng. Sản phẩm đáy chứa không quá 4% khối lượng acetone nhằm giảm thiểu thất thoát hóa chất. Tháp chưng cất hoạt động ở trạng thái liên tục ổn định, giúp tối ưu hóa chi phí vận hành và nâng cao hiệu suất thu hồi nhiệt. Toàn bộ dây chuyền gồm tháp chính, nồi đun đáy, thiết bị ngưng tụ đỉnh và bộ trao đổi nhiệt gia nhiệt dòng nhập liệu.

1.1. Cơ sở lý thuyết của quá trình chưng cất acetone nước

Quá trình chưng cất phân tách hỗn hợp dựa trên cân bằng lỏng hơi của hệ hai cấu tử. Acetone có khối lượng phân tử 58 g/mol và nhiệt độ sôi ở 56,2 độ C. Nước có khối lượng phân tử 18 g/mol và sôi ở 100 độ C. Sự chênh lệch nhiệt độ sôi lớn tạo thuận lợi cho việc phân tách pha hơi giàu acetone và pha lỏng giàu nước. Trạng thái nhập liệu được chọn ở điểm sôi tại nhiệt độ 64,3 độ C. Điều này giúp ổn định chế độ thủy động lực học bên trong thân tháp. Tỷ số hoàn lưu thích hợp được tính toán nhằm cân bằng giữa tiêu hao năng lượng và số lượng đĩa lý thuyết cần thiết.

1.2. Mục tiêu kỹ thuật và yêu cầu chất lượng sản phẩm

Hệ thống thiết kế nhằm thu hồi acetone thương phẩm đạt nồng độ 96% khối lượng phục vụ tái sản xuất công nghiệp. Lưu lượng nhập liệu cố định ở mức 1,5 m3/h, tương đương 48,51 kmol/h. Sản phẩm đỉnh thu được đạt 10,96 kmol/h dòng acetone đậm đặc. Dòng thải đáy đạt 37,55 kmol/h với hàm lượng hữu cơ rất thấp, đáp ứng tiêu chuẩn an toàn môi trường. Thiết bị phải đảm bảo vận hành bền bỉ, an toàn phòng chống cháy nổ và chống ăn mòn hóa học cao. Việc kiểm soát chính xác nồng độ các dòng sản phẩm giúp giảm tiêu hao lượng hơi đốt cấp cho nồi đun đáy tháp.

II. Phân tích thông số chưng cất liên tục acetone nước 1500 l h

Phân tích thông số kỹ thuật là bước quyết định tính khả thi của hệ thống chưng cất. Hỗn hợp acetone nước có đặc tính nhiệt động phức tạp, tạo áp suất riêng phần biến đổi theo nồng độ mol. Tại nồng độ nhập liệu 20,9% mol, nhiệt độ sôi của dòng lỏng là 64,33 độ C. Sản phẩm đỉnh có nồng độ mol đạt 88,2% acetone với nhiệt độ ngưng tụ xấp xỉ 57,63 độ C. Dòng đáy chứa 1,3% mol acetone và sôi ở 98,5 độ C. Việc xác định các suất lượng khối lượng và suất lượng mol toàn tháp giúp thiết lập phương trình cân bằng vật chất hoàn chỉnh. Suất lượng hơi đỉnh tháp đạt 723,96 kg/h, tạo ra lưu lượng thể tích hơi 357,69 m3/h. Tỷ trọng pha hơi giảm dần từ đáy lên đỉnh tháp, đòi hỏi tính toán đường kính thân tháp chính xác nhằm tránh hiện tượng ngập lụt mâm hoặc cuốn giọt lỏng quá mức trong quá trình vận hành.

2.1. Cân bằng vật chất và nồng độ các dòng công nghệ

Phương trình cân bằng vật chất tổng thể xác định tỷ lệ phân chia giữa sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy. Dòng nhập liệu có khối lượng riêng 852,59 kg/m3, tương ứng lưu lượng 1278,89 kg/h. Dòng sản phẩm đỉnh đạt 583,84 kg/h, mang lại hiệu suất thu hồi acetone vượt trên 95%. Dòng đáy có lưu lượng 695,05 kg/h với thành phần chủ yếu là nước. Nồng độ phần mol được quy đổi chính xác từ nồng độ phần khối lượng qua khối lượng phân tử từng cấu tử. Các chỉ số này là cơ sở quan trọng để xác định đường làm việc của đoạn luyện và đoạn chưng trong tháp.

2.2. Cân bằng nhiệt lượng và xác định tỷ số hoàn lưu

Cân bằng nhiệt lượng quyết định kích thước thiết bị trao đổi nhiệt và tiêu hao hơi đốt. Tỷ số hoàn lưu làm việc được tối ưu hóa dựa trên tỷ số hoàn lưu tối thiểu qua giản đồ cân bằng pha x-y. Giá trị hoàn lưu thích hợp đảm bảo số mâm thực tế không quá lớn nhưng vẫn tiết kiệm năng lượng cấp nhiệt. Dòng hơi đỉnh tháp tỏa nhiệt lượng lớn trong thiết bị ngưng tụ gián tiếp bằng nước làm mát. Nồi đun đáy nhận nhiệt từ hơi nước bão hòa để duy trì dòng hơi bốc lên liên tục, đảm bảo quá trình tiếp xúc pha lỏng hơi diễn ra hiệu quả.

III. Giải pháp thiết kế chưng cất liên tục acetone nước 1500 l h

Giải pháp kỹ thuật lựa chọn loại tháp mâm chóp hoặc mâm lỗ có ống chảy chuyền nhằm tối ưu hóa diện tích tiếp xúc lỏng hơi. Thân tháp chế tạo bằng thép không gỉ SUS304 để chống ăn mòn bởi dung môi hữu cơ và hơi nước nhiệt độ cao. Đường kính tháp được tính toán riêng biệt cho đoạn luyện và đoạn chưng, sau đó quy chuẩn theo đường kính ống tiêu chuẩn công nghiệp. Đường kính ống nhập liệu được chọn là 70 mm với vận tốc chảy tự nhiên thích hợp. Đoạn ống dẫn hơi đỉnh tháp cũng có đường kính danh nghĩa 70 mm để duy trì vận tốc hơi ở mức 25 m/s, hạn chế tổn thất áp suất dòng khí. Các mối ghép sử dụng bích phẳng bằng thép CT3 để giảm chi phí đầu tư. Thiết bị ngưng tụ chọn loại ống chùm nằm ngang với hệ số truyền nhiệt cao. Nồi đun đáy tháp dạng ống đứng đảm bảo đối lưu tự nhiên tốt cho chất lỏng sôi tuần hoàn.

3.1. Tính toán kích thước tháp và số mâm tiếp xúc pha

Số mâm lý thuyết được xác định bằng phương pháp đồ thị McCabe-Thiele hoặc phương pháp giải tích từng đĩa. Khoảng cách giữa các mâm được chọn từ 350 mm đến 450 mm nhằm đảm bảo không gian phân ly giọt lỏng. Chiều cao toàn bộ thân tháp bao gồm đoạn chưng, đoạn luyện, khoảng cách đáy và nắp tháp. Trở lực thủy lực của từng mâm được kiểm tra nghiêm ngặt để tránh hiện tượng sục khí kém hoặc quá tải chất lỏng. Việc bố trí các đĩa hợp lý giúp nâng cao hiệu suất truyền khối của từng mâm thực tế lên trên 60% và kéo dài chu kỳ bảo dưỡng.

3.2. Lựa chọn và tính toán thiết bị phụ trợ trong hệ thống

Hệ thống phụ trợ bao gồm bồn chứa nguyên liệu, bơm định lượng, thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu, thiết bị ngưng tụ và thùng làm nguội sản phẩm đáy. Thiết bị ngưng tụ hoàn toàn hơi đỉnh tháp sử dụng nước lạnh tuần hoàn có nhiệt độ đầu vào 25 độ C. Diện tích truyền nhiệt được tính toán dựa trên nhiệt tải ngưng tụ và hiệu số nhiệt độ hữu dụng. Bơm ly tâm được lựa chọn với cột áp và lưu lượng phù hợp để cấp dòng hoàn lưu đỉnh chính xác. Toàn bộ đường ống dẫn dung môi được bọc lớp cách nhiệt bằng bông khoáng nhằm giảm thất thoát nhiệt ra môi trường xung quanh.

IV. Đánh giá hiệu quả chưng cất liên tục acetone nước 1500 l h

Hệ thống chưng cất liên tục acetone nước năng suất 1500 L/h mang lại hiệu quả kỹ thuật và kinh tế vượt trội cho cơ sở sản xuất. Quy trình vận hành liên tục cho phép tự động hóa cao độ thông qua các cảm biến nhiệt độ, lưu lượng và áp suất. Chất lượng dung môi acetone thu hồi đạt độ tinh khiết 96%, đáp ứng tiêu chuẩn dung môi công nghiệp trong ngành sơn, mực in và dược phẩm. Mức tiêu hao năng lượng riêng trên mỗi mét khối sản phẩm được tối ưu hóa nhờ hệ thống tận dụng nhiệt dòng đáy để gia nhiệt sơ bộ cho dòng nhập liệu. Khả năng thu hồi hơn 95% lượng acetone ban đầu giúp doanh nghiệp tiết kiệm đáng kể chi phí mua nguyên liệu mới. Ngoài ra, việc giảm thiểu nồng độ hợp chất hữu cơ trong dòng nước thải đáy xuống dưới 4% giúp đơn giản hóa hệ thống xử lý nước thải sau công nghệ, bảo vệ môi trường sinh thái bền vững.

4.1. Lợi ích kinh tế và tính bền vững của dự án

Việc tái chế acetone từ nguồn thải lỏng giúp giảm chi phí mua mới dung môi tinh khiết lên tới 70%. Thời gian hoàn vốn đầu tư cho hệ thống chưng cất 1500 L/h ước tính dưới 24 tháng đối với các nhà máy sản xuất liên tục. Giảm thiểu lượng hóa chất thải bỏ trực tiếp ra môi trường giúp nhà máy tuân thủ nghiêm ngặt quy định pháp lý về bảo vệ môi trường. Năng lượng tái sử dụng từ quá trình trao đổi nhiệt giảm lượng phát thải khí nhà kính từ nồi hơi công nghiệp. Hệ thống vận hành ổn định giúp tăng tuổi thọ thiết bị và giảm thiểu chi phí bảo trì hàng năm.

4.2. Hướng phát triển và tự động hóa hệ thống chưng cất

Hệ thống chưng cất có thể tích hợp bộ điều khiển lập trình PLC cùng giao diện SCADA nhằm giám sát liên tục các thông số vận hành. Các van điều khiển tự động điều chỉnh lưu lượng hoàn lưu và áp suất hơi cấp đáy tháp theo thời gian thực. Tích hợp thuật toán điều khiển mờ hoặc điều khiển dự báo mô hình MPC giúp ổn định độ tinh khiết sản phẩm đỉnh ngay cả khi nồng độ nhập liệu dao động. Nâng cấp công nghệ này mở ra triển vọng xây dựng nhà máy hóa chất thông minh, nâng cao tính an toàn lao động và giảm phụ thuộc vào thao tác thủ công.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Giới thiệu về nguyên liệu 1. Aceton Acetone còn được gọi là Propan-2-one, có công thức phân tử là CH3COCH3. Nó là một chất lỏng không màu, trong suốt với mùi cay đặc biệt, acetone hòa tan trong nước và dung môi hưu cơ như: ethanol, ether, chloroform, pyridine.

Acetone là chất lỏng dễ cháy, dễ bay hơi và phản ứng với nhiều hợp chất và đơn chất hóa học,. Acetone chủ yếu được sử dụng làm dung môi trong các ngành công nghiệp như chất nổ, nhựa, cao su, sợi, da, sơn phun… Ngoài ra, acetone còn được sử dụng làm dung môi để làm sạch trong phòng thí nghiệm, đồng thời là một chất dùng để tổng hợp các chất hữu cơ và được sử dụng trong các thành phần hoạt chất của sơn móng tay. Các phương pháp sản xuất acetone chủ yếu bao gồm: phương pháp isopropanol, phương pháp cumene, phương pháp lên men, phương pháp hydrat hóa acetylene và phương pháp oxy hóa trực tiếp propylene. Sản xuất acetone ở quy mô công nghiệp trên thế giới bị chi phối bởi phương pháp cumene.

Hai phần ba lượng acetone trên thế giới là sản phẩm phụ của quá trình sản xuất phenol và là một trong những sản phẩm của quá trình oxy hóa cumene. Trong năm 2010, sản xuất axeton trên toàn thế giới đạt 6,7 triệu tấn, Với 1,56 triệu tấn mỗi năm, Hoa Kỳ có sản lượng sản xuất cao nhất, tiếp sau là Đài Loan và Trung Quốc, Nhà sản xuất acetone lớn nhất là INEOS Phenol, mỗi năm săn xuất 17% lượng sản xuất của thế giới.  Ứng dụng của acetone  Trong một số loại thuốc dược phẩm, được sử dụng làm dung môi để vận chuyển acetylene an toàn.  Acetone là một nguyên liệu tổng hợp hữu cơ quan trọng để sản xuất nhựa epoxy, polycarbonate, plexiglass, dược phẩm, thuốc trừ sâu.

 Là một dung môi tốt cho lớp phủ, chất kết dính, xi lanh thép, acetylene.  Được sử dụng như một chất pha loãng, chất làm sạch, tẩy rửa trong công nghiệp. SVTH: Đỗ Thanh Bền Trang Tổng quan CBHD: Thiều Quang Quốc Việt  Nó cũng là một nguyên liệu quan trọng để sản xuất anhydrid acetic, rượu diacetone, chloroform, iodoform, nhựa epoxy, cao su polyisoprene, methyl methacrylate.  Được sử dụng làm chất chiết trong các ngành công nghiệp như dầu và mỡ.

 Dùng để điều chế monome plexiglass, bisphenol A, rượu diacetone, hexanediol, methyl isobutyl ketone, methyl isobutyl methoxide, phorone, isophorone, chloroform, iodoform…  Acetone được sử dụng trong các ứng dụng y tế và mỹ phẩm khác nhau, Nó cũng được xem là hợp chất trong phụ gia thực phẩm, bao bì thực phẩm và trong tẩy sơn móng tay. Là một chất có công thức hóa học là (CH3)2CO, công thức phân tử là  Tính chất vật lý của acetone CH3COCH3, khối lượng phân tử: 58 đvC, Acetone là chất lỏng không màu, trong suốt℃ có mùi thơm, rất dễ bay hơi, tan vô hạn trong nước, dễ bay hơi (sôi ở nhiệt độ 56,5 ở 760 mmHg) và rất dễ cháy.  Tính chất hóa học của acetone  Phản ứng với natri hydro sulfit (Na2HSO3) tạo thành một chất phụ gia tinh thể không màu.  Phản ứng với hydro xyanua tạo thành acetone cyanohydrin.

 Acetone tương đối ổn định với chất oxy hóa, Nó không bị oxy hóa bởi axit nitric ở nhiệt độ phòng.  Phản ứng ngưng tụ lưỡng phân xảy ra với sự có mặt của một bazơ để tạo thành rượu diacetone.  Phản ứng với Ca(OH)2 với natri alkoxide hoặc natri amide sản phẩm tạo thành isophorone (3,5,5-trimethyl-2-cyclohexen-1-one).  Ngưng tụ với một aldehyd hoặc ketone với sự có mặt của axit hoặc bazo để tạo thành rượu keto, ketone không bão hòa và các sản phẩm nhựa.

 Nó được ngưng tụ với phenol trong điều kiện axit để tổng hợp bisphenol-A,  Nó phản ứng với dung dịch kiềm của hypohalite hoặc halogen để tạo thành haloform.  Acetone được thêm vào thuốc thử Grignard và sản phẩm bổ sung được thủy phân để thu được rượu bậc ba. SVTH: Đỗ Thanh Bền Trang Tổng quan CBHD: Thiều Quang Quốc Việt 1. Nước Nước là hợp chất chiếm phần lớn trên bề mặt trái đất (3/4 diện tích bề mặt trái đất là nước), nước rất cần thiết cho sự sống.

Trong điều kiện bình thường nước là một chất không màu, không mùi, không vị.  Các tính chất vật lý của nước,  Khối lượng phân tử: 18 g/mol.  Nhiệt độ nóng chảy: 0 (ở 760 mmHg). ℃ Nhiệt độ sôi: 100 ℃ (ở  Nước là dung môi phân cực mạnh, có khả năng hòa tan nhiều chất và là dung môi quan trọng trong kỹ thuật hóa học.

Hỗn hợp Acetone – Nước Trong công nghiệp khi tổng hợp acetone từ axit axetic với xúc tác ThO 2 ở nhiệt độ cao ta thu được hỗn hợp đa phần là acetone và nước. Lượng acetone trong hỗn hợp này thường vào khoảng 48% khối lượng tùy thuộc vào hiệu suất của quá trình tổng hợp. Vì vậy, yêu cầu bức thiết là cần phải nâng cao độ tinh khiết của acetone để Dựa vào tính5℃ chất vật lý của acetone như ℃tan hoàn toàn trong nước, có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. nhiệt độ sôi của acetone (56, ở 760 mmHg) < nước (100 ở 760 mmHg), hệ này không có điểm đẳng phí, nên trong các phương pháp tách hỗn hợp chất thì phương pháp phù hợp nhất với hệ acetone – nước đó là phương pháp chưng cất.

toC x(mol/mol) y(mol/mol) 100,348 0 99,4563 0,001 0,032088 98,5803 0,002 0,062279 97,7343 0,003 0,090716 96,9171 0,004 0,11753 95,3637 0,006 0,16675 93,9106 0,008 0,21080 SVTH: Đỗ Thanh Bền Trang Tổng quan CBHD: Thiều Quang Quốc Việt toC x(mol/mol) y(mol/mol) 92,5493 0,01 0,25036 86,871 0,02 0,39879 82,5913 0,03 0,49450 79,265 0,04 0,5603 74,4609 0,06 0,64356 71,1926 0,08 0,69309 68,8546 0,1 0,72542 65,2535 0,15 0,77092 63,2941 0,2 0,79403 62,1122 0,25 0,80776 61,334 0,3 0,81694 60,7741 0,35 0,82379 60,3324 0,4 0,82948 59,9519 0,45 0,83471 59,5985 0,5 0,83995 59,252 0,55 0,84558 58,9005 0,6 0,85192 58,5375 0,65 0,85929 58,161 0,7 0,86809 57,7726 0,75 0,87878 57,3782 0,8 0,8920 56,9897 0,85 0,90880 SVTH: Đỗ Thanh Bền Trang Tổng quan CBHD: Thiều Quang Quốc Việt toC x(mol/mol) y(mol/mol) 56,6285 0,9 0,93054 56,4995 0,92 0,94111 56,3842 0,94 0,9530 56,2871 0,96 0,96660 56,2471 0,97 0,97409 56,2141 0,98 0,98211 56,1888 0,99 0,99073 56,1848 0,992 0,99253 56,1811 0,994 0,99435 56,1779 0,996 0,9962 56,1764 0,997 0,99714 56,175 0,998 0,99809 56,1737 0,999 0,99904 56,1642 1 Bảng 1-1 Số liệu cân bằng lỏng hơi của hệ acetone- nước ở 760mmHg [1] SVTH: Đỗ Thanh Bền Trang Tổng quan CBHD: Thiều Quang Quốc Việt Đường cân bằng lỏng hơi của hỗn hợp Acetone-nước ở 760mmHg 1 0.9 1 x (Acetone) mol/mol Hình 1-1 Đồ thị đường cân bằng hệ Aceton-nước ở 760mmHg 1. Lý thuyết về chưng cất 1. Khái niệm về chưng cất Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng cũng như hỗn hợp lỏng – khí thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp (nghĩa là khi ở cùng một nhiệt độ, áp suất hơi bão hòa của các cấu tử khác nhau). Thay vì đưa vào hỗn hợp một pha mới để tạo nên sự tiếp xúc giữa hai pha như trong quá trình hấp thu hoặc nhả khí, trong quá trình chưng cất, pha mới được tạo nên từ sự bốc hơi hoặc ngưng tụ.

Trong quá trình chưng cất, dung môi và chất tan đều bay hơi, nghĩa là các cấu tử đều hiện diện trong cả hai pha nhưng với tỷ lệ khác nhau. Trong trường hợp chưng cất đơn giản hệ hai cấu tử, sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn hơn và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi bé. Sản phẩm đáy gồm cấu tử có độ bay hơi bé và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi lớn. Đối với hệ acetone – nước, sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm acetone và rất ít nước, sản phẩm đáy chủ yếu là nước và rất ít acetone.

SVTH: Đỗ Thanh Bền Trang Tổng quan CBHD: Thiều Quang Quốc Việt Các phương pháp chưng cất thường được phân loại dựa vào áp suất làm việc (áp suất thường, áp suất thấp, áp suất cao), nguyên lý làm việc (chưng cất đơn giản, chưng bằng hơi nước trực tiếp, chưng cất), dựa vào phương pháp cấp nhiệt (gián tiếp hay trực tiếp). Việc lựa chọn các phương pháp chưng cất tùy thuộc vào tính chất lý hóa của hệ nguyên liệu. Đối với hệ acetone – nước ta chọn phương pháp chưng cất liên tục, cấp nhiệt gián tiếp bằng nồi đun ở áp suất thường. Tháp chưng cất Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để thực hiện quá trình chưng cất, Tuy nhiên, yêu cầu cơ bản chung cho các thiết bị vẫn giống nhau, nghĩa là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, phụ thuộc vào mức độ phân tán của lưu chất này trong lưu chất kia.

Nếu pha khí phân tán vào lỏng ta có các loại tháp mâm, nếu pha lỏng phân tán vào pha khí ta có tháp chêm, tháp phun… Hai loại tháp thường dùng hiện nay là tháp mâm và tháp chêm, kích thước của tháp, đường kính tháp, chiều cao tháp tùy thuộc vào suất lượng pha lỏng, pha khí và độ tinh khiết của sản phẩm. Tháp chêm: hình trụ gồm nhiều bậc nối với nhau bằng mặt bích hay hàn. Vật chêm được đổ đầy trong tháp theo một trong hai phương pháp là xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự.