Đồ án: thiết kế tháp chưng cất loại mâm chóp để chưng cất hỗn hợp axit axetic

Đồ án nghiên cứu thiết kế tháp chưng cất loại mâm chóp để chưng cất hỗn hợp axit axetic, thiết kế chi tiết, tính toán kỹ thuật theo tiêu chuẩn, đánh giá tính khả thi dự án.

• Tác giả: Mai Thị Ngọc Hạ
• Người hướng dẫn: Thầy Hoàng Minh Nam
• Trường học: Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, Trường Đại học Bách Khoa, Khoa Công nghệ Hóa học & Dầu khí
• Chuyên ngành: Hóa Hữu Cơ
• Đề tài: Thiết Kế Tháp Chưng Cất Loại Mâm Chóp Để Chưng Cất Hỗn Hợp Axit Axetic - Nước
• Loại tài liệu: Đồ Án Môn Học
• Năm xuất bản: 2008 - 2009
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Khái niệm và nguyên lý thiết kế tháp chưng cất loại mâm chóp

Thiết kế tháp chưng cất loại mâm chóp là một phương pháp quan trọng trong ngành công nghệ hóa học, đặc biệt được áp dụng để tách các hỗn hợp dựa trên độ bay hơi khác nhau của các cấu tử. Tháp chưng cất loại mâm chóp hoạt động theo nguyên lý tạo ra sự tiếp xúc giữa pha lỏng và pha hơi thông qua các mâm chóp được xếp chồng lên nhau. Trong hệ Axit axetic - Nước, sản phẩm đỉnh chủ yếu là nước (có độ bay hơi lớn) còn sản phẩm đáy chủ yếu là axit axetic (có độ bay hơi nhỏ). Quá trình chưng cất diễn ra liên tục với cấp nhiệt gián tiếp thông qua nồi đun ở áp suất thường, giúp nâng cao độ tinh khiết của sản phẩm cuối cùng đạt các tiêu chuẩn yêu cầu.

1.1. Định nghĩa chưng cất và ứng dụng

Chưng cất là quá trình tách các cấu tử hỗn hợp lỏng hoặc khí-lỏng thành các thành phần riêng biệt dựa vào sự khác nhau về áp suất hơi bão hòa. Phương pháp này được ưu tiên trong sản xuất vì tạo ra pha mới thông qua bốc hơi hoặc ngưng tụ tự nhiên. Ứng dụng của chưng cất rất rộng trong công nghệ hóa học, dầu khí, và thực phẩm, giúp thu được nhiều sản phẩm có độ tinh khiết cao từ một hỗn hợp ban đầu.

1.2. Cấu tạo và hoạt động của mâm chóp

Mâm chóp là thiết bị quan trọng trong tháp chưng cất, giúp tạo ra sự tiếp xúc hiệu quả giữa pha lỏng và hơi. Mỗi mâm chóp được thiết kế với chóp nhỏ để chất lỏng từ trên xuống có thể phun qua hơi từ dưới lên, tạo ra bề mặt tiếp xúc lớn. Hoạt động của mâm chóp dựa trên nguyên lý va chạm và truyền nhiệt khối, giúp các cấu tử nhẹ hơi lên phía trên và các cấu tử nặng chảy xuống phía dưới.

II. Quy trình công nghệ chưng cất hỗn hợp Axit axetic Nước

Quy trình chưng cất hỗn hợp Axit axetic - Nước được thiết kế với nhiệm vụ xử lý nguyên liệu có nồng độ axit 8% để đạt được sản phẩm đỉnh với nồng độ nước 95,5% và sản phẩm đáy với nồng độ axit 30%. Năng suất thiết kế là 0,5 tấn/giờ, hoạt động ở áp suất thường. Quy trình công nghệ bao gồm các bước: nguyên liệu nhập vào tháp ở phần giữa, sau đó được chia thành hai dòng chính. Ở dưới, nồi đun cấp nhiệt gián tiếp để bốc hơi các cấu tử, hơi nước chứa axit qua từng mâm chóp hướng lên trên. Ở trên, chất lỏng từ từng mâm chóp chảy xuống, tạo ra bề mặt tiếp xúc liên tục. Sản phẩm đỉnh được ngưng tụ và hạ nhiệt trước khi xuất xưởng.

2.1. Các giai đoạn chính của quy trình

Giai đoạn 1: Chuẩn bị nguyên liệu và điều chỉnh áp suất, nhiệt độ. Giai đoạn 2: Nguyên liệu nhập liệu vào tháp chưng cất ở vùng giữa, dòng hoàn lưu từ đỉnh được chia một phần quay lại làm mát. Giai đoạn 3: Cấp nhiệt ở đáy tháp thông qua nồi đun, tạo hơi chứa các cấu tử nhẹ. Giai đoạn 4: Thu sản phẩm từ đỉnh và đáy, hạ nhiệt độ sản phẩm đáy.

2.2. Cân bằng vật chất và năng lượng

Cân bằng vật chất xác định suất lượng sản phẩm dựa trên nồng độ nhập liệu, sản phẩm đỉnh và đáy. Tỷ số hoàn lưu là thông số quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất chưng cất. Cân bằng năng lượng tính toán nhiệt cần cấp cho nồi đun và nhiệt cần tỏa ở bộ ngưng tụ, đảm bảo hiệu quả năng lượng của quá trình.

III. Tính toán thiết kế cơ khí tháp chưng cất mâm chóp

Tính toán thiết kế cơ khí là giai đoạn quan trọng để đảm bảo tháp chưng cất loại mâm chóp hoạt động an toàn và hiệu quả. Các thông số thiết kế bao gồm: đường kính tháp được xác định dựa trên suất lượng chảy của chất lỏng và hơi, tính toán tách biệt cho đoạn luyện và đoạn chưng. Chiều cao tháp được tính dựa trên số mâm chóp cần thiết để đạt hiệu suất tách mong muốn. Thiết kế chóp và ống chảy phải đảm bảo lưu thông mượt mà và giảm thiểu tổn hao năng lượng. Trở lực của tháp được tính để lựa chọn quạt hoặc bơm thích hợp. Ngoài ra, cần tính toán chiều dày thân tháp, đáy và nắp theo tiêu chuẩn áp suất thiết kế, cùng với kích thước các ống dẫn và bulon kết nối.

3.1. Tính toán đường kính và chiều cao tháp

Đường kính tháp được tính từ công thức: D = √(4Q/πv), với Q là suất lượng chảy và v là vận tốc chảy cho phép. Đoạn luyện (nơi hơi lên) và đoạn chưng (nơi lỏng xuống) có đường kính khác nhau. Chiều cao tháp = (Số mâm - 1) × khoảng cách mâm + độ cao nồi đun. Tổng cộng với dung tích của phần đầu hơi phanh và bộ ngưng tụ.

3.2. Tính toán cơ học và chọn vật liệu

Chiều dày thân tháp được tính theo công thức Lamé cho áp lực bên trong. Đáy và nắp tháp phải chịu được áp lực và được thiết kế dạng vòm hoặc lõm để tăng cường độ. Vật liệu thường chọn thép carbon hoặc thép không gỉ tùy theo tính chất corrosive của chất lỏng xử lý, đảm bảo độ bền và tuổi thọ thiết bị.

IV. Thiết bị phụ trợ và tối ưu hóa chi phí sản xuất

Bên cạnh tháp chưng cất chính, hệ thống cần các thiết bị phụ trợ để đảm bảo vận hành liên tục và an toàn. Nồi đun ở đáy tháp cung cấp nhiệt gián tiếp thông qua dòng hơi hoặc nước nóng. Bộ ngưng tụ ở đỉnh tháp làm lạnh sản phẩm hơi thành lỏng, thường sử dụng nước làm mát. Thiết bị làm lạnh sản phẩm đáy giảm nhiệt độ sản phẩm cuối cùng. Bơm hoàn lưu dẫn một phần sản phẩm đỉnh quay lại tháp. Bình chứa sản phẩm tích trữ các sản phẩm cuối cùng. Tối ưu hóa chi phí sản xuất bao gồm: lựa chọn vật liệu phù hợp giữa chi phí và hiệu suất, thiết kế hiệu quả năng lượng, bảo trì định kỳ để kéo dài tuổi thọ thiết bị, và áp dụng công nghệ tự động hóa giám sát quá trình.

4.1. Thiết bị đun sôi ngưng tụ và làm lạnh

Nồi đun được thiết kế làm việc với dòng hơi áp suất thấp hoặc nước nóng ở nhiệt độ kiểm soát. Bộ ngưng tụ sử dụng nguyên lý truyền nhiệt để hơi chuyển thành lỏng, với diện tích truyền nhiệt được tính toán dựa trên suất lượng hơi. Thiết bị làm lạnh sản phẩm đáy (thường là trao đổi nhiệt) cải thiện chất lượng sản phẩm và tiết kiệm năng lượng.

4.2. Phân tích giá thành và tối ưu kinh tế

Chi phí thiết bị bao gồm cost vật liệu, gia công, lắp ráp. Chi phí vận hành gồm điện, hơi, nước làm mát, nhân công. Phân tích giá thành giúp xác định giá sản phẩm hợp lý và lợi nhuận dự án. Sử dụng công nghệ tiên tiến, vật liệu tối ưu, và quy trình hiệu quả giúp giảm chi phí sản xuất 10-20%.

Trích đoạn nội dung tài liệu

LỜI MỞ ĐẦU CHUONG 1: TONG QUAN I. LY THUYET VE CHUNG CAT 1. Phương pháp chưng cất 2. Thiết bị chưng cất: 1I.

GIỚI THIỆU SƠ BỘ NGUYÊN LIỆU 1. Hỗn hợp Acid axetic— Nước CHƯƠNG 2 : QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CHUONG 3: CAN BANG VAT CHAT I. CAC THONG SO BAN DAU Il. XÁC ĐỊNH SUAT LUONG SAN PHAM DiNH VA DAY Il.

XÁC ĐỊNH TỶ SỐ HOÀN LƯU LÀM VIỆC IV. XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG MOL CỦA CÁC DÒNG PHA CHUONG 4: CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG CHƯƠNG 5 : TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH I. DUONG KINH THAP: 1. Đường kính đoạn luyện 2.

Đường kính đoạn chưng Il. CHIỀU CAO THÁP II. TÍNH TOÁN CHÓP VÀ ỐNG CHẢY CHUYỀN IV. TRỞ LỰC CỦA THÁP CHƯƠNG 6 : TÍNH TOÁN CƠ KHÍ I.

TÍNH CHIỀU DÀY THÂN THÁP Il. TÍNH ĐÁY, NẮP THIẾT BỊ II. TÍNH ĐƯỜNG KÍNH VÀ BULON ỐNG DẪN 1. Ống dẫn hơi vào thiết bị ngưng tụ.

Ống dẫn dòng chảy hoàn lưu N 3. Ống dẫn dòng nhập liệu 4. Ống dẫn dòng sản phẩm đáy 5. Ống dẫn từ nôi đun qua tháp CHƯƠNG 7 : TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ I.

THIẾT BỊ ĐUN SÔI ĐÁY THÁP II. THIẾT BỊ LÀM NGUỘI SẢN PHẨM ĐÁY II. THIET BI NGUNG TU SẮN PHẨM ĐỈNH IV. THIẾT BỊ ĐUN SÔI DÒNG NHẬP LIỆU V.

BỒNG CAO VỊ VI. BOM CHUONG 8 : TINH GIA THANH THIET BI Đồ án môn học QT & TB GVHD : Hoàng Minh Nam Tháp chưng cất mâm chóp Axử axefic — Nước SVTH : Mai Thi Ngoc Ha TAI LIEU THAM KHAO 7 LOI MO DAU Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển và cùng với nó là nhu cầu ngày càng cao về độ tinh khiết của các sản phẩm. Vì thế, các phương pháp nâng cao độ tỉnh khiết luôn luôn được cải tiến và đổi mới để ngày càng hoàn thiện hơn, như là: cô đặc, hấp thụ, chưng cất, trích ly,. Tùy theo đặc tính yêu câu của sản phẩm mà ta có sự lựa chọn phương pháp phù hợp.

Đối với hệ Axit axetic — Nước là 2 cấu tử tan lẫn hoàn toàn, ta phải dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tỉnh khiết. Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị là một môn học mang tính tổng hợp trong quá trình học tập của các kỹ sư Công nghệ Hóa học tương lai. Môn học giúp sinh viên giải quyết nhiệm vụ tính toán cụ thể về: quy trình công nghệ, kết cấu, giá thành của một thiết bị trong sẩn xuất hóa chất - thực phẩm. Đây là bước đầu tiên để sinh viên vận dụng những kiến thức đã học của nhiều môn học vào giải quyết những vấn để kỹ thuật thực tế một cách tổng hợp.

Nhiệm vụ của Đồ án này là thiết kế hệ thống chưng cất Nước — Axit axetic có năng suất là 0,5mỶ⁄h, nông độ nhập liệu 1a 8%(kg axit/kg hỗn hợp), nông độ sản phẩm đỉnh là 95,5%(kg nước/kg hỗn hợp), nông độ sản phẩm đáy là 30%(kg axit/kg hỗn hợp), tháp làm việc ở áp suất thường. - Z Đồ án môn học QT & TB GVHD : Hoàng Minh Nam Tháp chưng cất mâm chóp Axử axefic — Nước SVTH : Mai Thi Ngoc Ha CHUONG 1: TONG QUAN I. LY THUYET VE CHUNG CAT: 7. Khai niém: Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng cũng như hỗn hợp khí lỏng 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 trong 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 bằng sự bốc hơi hoặc ngưng tụ. Trong trường hợp đơn giản nhất, chưng cất và cô đặc không khác gì nhau, tuy nhiên giữa hai quá trình này có một ranh giới cơ bản là 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), còn trong quá trình cô đặc thì chỉ có dung môi bay hơi còn chất tan không bay hơi. Khi chưng cất ta thu được nhiễu 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 chủ yếu gôm cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần rất ít các cấu tử có độ bay hơi bé.

= San phẩm đáy chử yếu gồm cấu tử có độ bay hơi bé và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi lớn. Đối với hệ Nước — Axit axetic thì: "_ Sản phẩm đỉnh chủ yếu là nước. " Sản phẩm đáy chủ yếu là axit axetic. Các phương pháp chưng cất: 2.

Phân loại theo áp suất làm việc: - _ Áp suất thấp - _ Áp suất thường - Ap suat cao 2. Phan loai theo nguyén ly lam viéc: - Chung cat don gidn - _ Chưng bằng hơi nước trực tiếp - Chung cat 2. Phân loại theo phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp: - _ Cấp nhiệt trực tiếp - _ Cấp nhiệt gián tiếp Vậy: đối với hệ Nước - Axit axetic, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp nhiệt gián tiếp bằng nổi đun ở áp suất thường. Thiết bị chưng cất: Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để tiến hành chưng cất.

Tuy nhiên yêu cầu cơ bản chung của các thiết bị vẫn giống nhau nghĩa là diện tích bể mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều này phụ thuộc vào mức độ phân tán của một lưu chất này vào lưu chất kia. Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta có các loại tháp mâm, nếu pha lỏng phân tán vào pha khí ta có tháp chêm, tháp phun. 6 đây ta khảo sát 2 loại thường dùng là tháp mâm và 4 Đồ án môn học QT & TB GVHD : Hoàng Minh Nam Tháp chưng cất mâm chóp Axử axefic — Nước SVTH : Mai Thi Ngoc Ha tháp chêm. "_ Tháp mâm: 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.

Tùy theo cấu tạo của đĩa, ta có: Tháp mâm chóp : trên mâm bố trí có chóp dạng tròn, xupap, chữ s. có rãnh xung quanh để pha khí đi qua và ống chảy chuyển có hình tròn. - _ Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh " _ Tháp chêm (tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiễu bậc nối với nhau bằng mặt bích hay hàn. Vật chêm được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự.

So sánh ưu nhược điểm của các loại tháp: Tháp chêm Tháp mâm xuyên lỗ Tháp mâm chóp - Cấu tạo khá đơn giản. - Trở lực tương đối thấp. | - Khá ổn định. - Trở lực thấp.

- Hiệu suất khá cao. - Hiệu suất cao Ưu | - Lầm việc được với chất lỏng - Làm việc được với chất điểm | bẩn nếu dùng đệm cầu cóp~p | lỏng bẩn. của chất lỏng. - Do có hiệu ứng thành > hiéu - Kết cấu khá phức tạp.

| - Có trở lực lớn. suất truyền khối thấp. - Tiêu tốn nhiều - Độ ổn định không cao, khó vận vật tư, kết cấu Nhược | hành. điểm |- Do có hiệu ứng thành -> khi tăng năng suất thì hiệu ứng thành tăng —> khó tăng năng suất.

- Thiếtbị khá nặng nề. Vậy ta sử dụng tháp mâm chóp để chưng cất hỗn hợp AXIT AXETIC - NƯỚC Il. GIỚI THIỆU SƠ BỘ VỀ TÍNH CHẤT NGUYÊN LIỆU : 7. Tinh chat: Axit axetic nóng chảy ở 16,6°C, điểm sôi 118°C, hỗn hợp trong nước với mọi tỷ lệ.

Trong quá trình hỗn hợp với nước có sự co thể tích, với tỷ trọng cực đại, chứa 73% axit axetic (D : 1,078 và 1,0553 đối với axit thuần khiết). Người ta không thể suy ra được hàm lượng axit axetic trong nước từ tỷ trọng của nó, ngoại trừ đối với các hàm lượng dưới 43%. Tính ăn mòn kim loại: = Axit axetic in mon sat. " Nhôm bị ăn mòn bởi axit loãng, nó để kháng tốt đối với axit axetic đặc và thuần khiết.

Đồng và chì bị ăn mòn bởi axit axetic với sự hiện diện cửa không khí. "_ Thiếc và một số loại thép nikel — crom đề kháng tốt đối với axit axetic. Đồ án môn học QT & TB GVHD : Hoàng Minh Nam Tháp chưng cất mâm chóp Axử axefic — Nước SVTH : Mai Thi Ngoc Ha Axit axetic thuần khiết còn gọi là axit glaxial bởi vì nó đễ dàng đông đặc kết tinh như nước đá ở dưới 17°C, đước điều chế chủ yếu bằng sự oxy hóa đối với andehit axetic. Không màu sắc, vị chua, tan trong nước và cồn etylic.

Điều chế: Axit axetic được điều chế bằng cách: 1) Oxy hóa có xúc tác đối với cồn etylic để biến thành andehit axetic, là một giai đoạn trung gian. Sự oxy hóa kéo dài sẽ tiếp tục oxy hóa andehit axetic thành axit axetic. CH3CHO + % O2 = CH3COOH C.HsOH + O2 = CH3COOH + H20 2) Oxy hóa andehit axetic được tạo thành bằng cách tổng hợp từ acetylen. Sự oxy hóa andehit được tiến hành bằng khí trời với sự hiện diện của coban axetat.

Người ta thao tác trong andehit axetic ở nhiệt độ gần 80°C để ngăn chặn sự hình thành peroxit. Hiệu suất đạt 95 — 98% so với lý thuyết. Người ta đạt được như thế rất dễ dàng sau khi chế axit axetic kết tinh được. Coban axetat ở 80°C CH:CHO + 1⁄2Q¿ ———————————————————— CHzCOOH 3) Tổng hợp đi từ côn metylie và Cacbon oxit.

Hiệu suất có thể đạt 50 ~ 60% so với lý thuyết bằng cách cố định cacbon oxit trên cồn metylic qua xúc tác. Nhiệt độ từ 200 — 500°C, áp suất 100 — 200atm: CH30H + CO + CH3COOH với sự hiện diện cửa metaphotphit hoặc photpho — vonframat kim loại 2 và 3 hóa trị (chẳng hạn sắt, coban). Ứng dụng: Axit axetic là một axit quan trọng nhất trong các loại axit hữu cơ. Axit axetic tìm được rất nhiều ứng dụng vì nó là loại axit hữu cơ rẻ tiền nhất.

Nó được dùng để chế tạo rất nhiều hợp chất và ester. Nguồn tiêu thụ chủ yếu của axit axetic là: " Làm dấm ăn (dấm ăn chứa 4,5% axit axetie). " Làm đông đặc nhựa mủ cao su. = Lam chất dẻo tơ sợi xenluloza axetat— làm phim ảnh không nhạy lửa.

Làm chất nhựa kết dính polyvinyl axetat. " Làm các phẩm màu, dược phẩm, nước hoa tổng hợp. “ Axetat nhôm dùng làm chất cắn màu (mordant trong nghề nhuộm) "_ Phần lớn các ester axetat đều là các dung môi, thí dụ: izoamyl axetat hòa tan được nhiều loại nhựa xenluloza.