Tài liệu: Đồ án thiết kế thực hành tính toán hệ thống và

Hướng dẫn đồ án thiết kế và tính toán hệ thống thiết bị công nghệ hóa học. Tài liệu thực hành chuyên sâu cho sinh viên ngành kỹ thuật hóa học.

• Tác giả: Trần Thị Thùy Dung
• Người hướng dẫn: Th.S Nguyễn Minh Tiến
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghiệp Tp.hcm
• Chuyên ngành: Công nghệ hóa học
• Đề tài: Đồ Án Thiết Kế Thực Hành Tính Toán Hệ Thống Và Thiết Kế Thiết Bị Công Nghệ Hóa Học
• Loại tài liệu: Báo cáo thực hành
• Địa điểm: Tp.hcm

Tóm tắt

I. Tổng quan về Đồ án Thiết kế Thực hành

Đồ án thiết kế thực hành là một phần quan trọng trong chương trình đào tạo kỹ sư công nghệ hóa học. Đây là cơ hội để sinh viên áp dụng những kiến thức lý thuyết đã học vào thực tiễn thiết kế và vận hành các hệ thống công nghệ hóa học. Trong bài viết này, chúng tôi sẽ tập trung vào thiết kế hệ thống chưng cất để tách hỗn hợp Acetone - Acid acetic. Đây là một dự án điển hình giúp sinh viên hiểu rõ về quy trình tính toán hệ thống, thiết kế thiết bị tháp mâm chớp, và vận hành quy trình công nghệ hóa học. Nhiệm vụ thiết kế yêu cầu tính toán chi tiết với năng suất nhập liệu 1900 kg/h, nồng độ nhập liệu 30% phần mol acetone, sản phẩm đỉnh 85% và sản phẩm đáy 5% phần mol acetone.

1.1. Định nghĩa Đồ án Thiết kế Thực hành

Đồ án thiết kế thực hành là bài tập tổng hợp yêu cầu sinh viên thực hiện tính toán hệ thống, thiết kế thiết bị, và tối ưu hóa quy trình. Sinh viên phải áp dụng kiến thức về cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt, động lực học quá trình để thiết kế một hệ thống chưng cất hoàn chỉnh. Dự án này đòi hỏi khả năng phân tích, tính toán kỹ thuật và hiểu biết sâu về công nghệ hóa học.

1.2. Mục tiêu và Yêu cầu của Dự án

Mục tiêu chính của đồ án thiết kế hệ thống chưng cất là tách riêng biệt các thành phần từ hỗn hợp nguyên liệu. Yêu cầu cụ thể bao gồm: thiết kế tháp mâm chớp với số lượng mâm phù hợp, tính toán nhiệt lượng cần thiết, xác định tỷ lệ hoàn lưu, và đánh giá hiệu suất tách. Với năng suất 1900 kg/h, sinh viên cần đảm bảo tính khả thi kinh tế và kỹ thuật của dự án.

II. Nguyên lý Chưng cất trong Thiết kế Hệ thống

Chưng cất là phương pháp tách quan trọng nhất trong công nghệ hóa học, dựa trên sự khác biệt về độ bay hơi của các thành phần trong hỗn hợp. Nguyên lý chưng cất sử dụng nhiệt để làm bay hơi các chất lỏng, sau đó ngưng tụ hơi để tách thành các phần riêng biệt. Trong dự án thiết kế hệ thống tách Acetone - Acid acetic, phương pháp chưng cất phân đoạn được sử dụng để đạt được độ tinh khiết cao cho sản phẩm. Sự khác biệt nhiệt độ sôi giữa Acetone (56°C) và Acid acetic (118°C) cho phép tách hiệu quả. Quá trình chưng cất lặp đi lặp lại nhiều lần trong tháy mâm chớp giúp nâng cao nồng độ của chất bay hơi từ từ, từ 30% lên 85% phần mol.

2.1. Cơ chế Hoạt động của Chưng cất

Cơ chế chưng cát bao gồm ba giai đoạn chính: bay hơi, vận chuyển hơi, và ngưng tụ. Trong tháp mâm chớp, hỗn hợp lỏng trên mỗi mâm sẽ được hơi từ mâm dưới bay lên làm nóng, các thành phần bay hơi dễ dàng tách ra. Acetone, do có nhiệt độ sôi thấp, sẽ bay hơi dễ dàng và tập trung ở đỉnh tháp, trong khi Acid acetic ít bay hơi sẽ tập trung ở đáy.

2.2. Các Loại Phương pháp Chưng cất

Chưng cất đơn giản dùng để tách sơ bộ, chưng cất phân đoạn (fractional distillation) dùng cho hỗn hợp phức tạp cần tách hoàn toàn, và chưng cất bằng hơi nước dùng để hạ thấp nhiệt độ sôi. Trong dự án này, chưng luyện liên tục trong tháp mâm chớp là lựa chọn tối ưu vì nó cho phép tách hoàn toàn hỗn hợp Acetone-Acid acetic với hiệu suất cao và sản lượng đạt 1900 kg/h.

III. Đặc tính Vật lý và Hóa học của Nguyên liệu

Acetone (propanone, CH₃COCH₃) là một chất lỏng sắc nét, không màu, dễ bay hơi với nhiệt độ sôi 56°C và khối lượng riêng 0.785 g/cm³. Acid acetic (CH₃COOH) là chất lỏng không màu, mùi chua đặc trưng, nóng chảy ở 16.6°C và sôi ở 118°C, khối lượng riêng 1.049 g/cm³. Hỗn hợp Acetone - Acid acetic tan hoàn toàn vào nhau, tạo thành hỗn hợp lỏng thuần nhất. Sự khác biệt nhiệt độ sôi (62°C) là yếu tố thuận lợi cho thiết kế hệ thống chưng cất, cho phép tách hiệu quả với số lượng mâm hợp lý. Các hằng số vật lý này rất quan trọng trong tính toán cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng và thiết kế thiết bị.

3.1. Tính chất của Acetone

Acetone là chất lỏng bay hơi cao, có khối lượng phân tử 58 g/mol, nhiệt độ sôi 56°C là thấp nhất trong hỗn hợp. Tính chất dễ bay hơi của Acetone là lý do nó tập trung ở sản phẩm đỉnh (85% phần mol) trong quá trình chưng cất. Acetone hòa tan tốt với nước và Acid acetic, không gây khó khăn trong thiết kế quy trình chưng cất.

3.2. Tính chất của Acid acetic

Acid acetic có khối lượng phân tử 60 g/mol và nhiệt độ sôi cao 118°C, do đó ít bay hơi hơn Acetone. Acid acetic tan hoàn toàn trong nước với mọi tỷ lệ, hỗn hợp có sự co thể tích. Tính chất khó bay hơi của Acid acetic làm nó tập trung ở sản phẩm đáy (5% phần mol). Những đặc tính này quyết định cấu trúc và thiết kế tháp mâm chớp để đạt tách toàn.

IV. Ứng dụng và Ý nghĩa của Đồ án Thiết kế

Đồ án thiết kế thực hành tách hỗn hợp Acetone - Acid acetic có ý nghĩa lớn trong đào tạo kỹ sư công nghệ hóa học. Dự án này giúp sinh viên nắm vững quy trình chưng cất, một kỹ năng cốt lõi trong ngành. Ứng dụng thực tiễn của hệ thống này xuất hiện trong sản xuất acetone tinh khiết cho ngành dệt may, phun sơn, và trong công nghiệp hóa chất hữu cơ. Sinh viên học được cách tối ưu hóa chi phí, tiết kiệm năng lượng, và đảm bảo chất lượng sản phẩm thông qua tính toán kỹ thuật chi tiết. Kỹ năng thiết kế hệ thống chưng cất là nền tảng cho các dự án công nghiệp lớn, giúp sinh viên chuẩn bị tốt cho sự nghiệp kỹ sư chuyên nghiệp.

4.1. Ứng dụng Thực tiễn của Chưng cất Acetone

Acetone tinh khiết được ứng dụng rộng rãi trong ngành sơn, ngành dệt may, sản xuất nhựa, và công nghiệp hóa chất. Thiết kế hệ thống chưng cất để tách Acetone từ hỗn hợp với Acid acetic là ví dụ điển hình của quy trình công nghiệp. Năng suất 1900 kg/h trong dự án là quy mô phù hợp với nhà máy hóa chất vừa và nhỏ, giúp sinh viên hiểu rõ bài toán thực tiễn.

4.2. Kỹ năng và Kinh nghiệm Đạt được

Thông qua đồ án thiết kế, sinh viên phát triển kỹ năng tính toán cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng, lựa chọn thiết bị, và tối ưu hóa quy trình. Sinh viên học cách sử dụng phần mềm mô phỏng, các bảng dữ liệu kỹ thuật, và tiêu chuẩn thiết kế. Những kỹ năng này là nền tảng vững chắc cho công việc kỹ sư trong ngành công nghiệp hóa học và các lĩnh vực liên quan.

Trích đoạn nội dung tài liệu

TRUONG DAI HOC CONG NGHIEP TP.HCM KHOA CONG NGHE HOA HOC ° INDUSTRIAL UNIVERSITY OF HOCHIMINH CITY DO AN THIET KE THUC HANH TINH TOAN HE THONG VA THIET KE THIET BI CONG NGHE HOA HOC Giang vién huéng dan: Th.S Nguyén Minh Tién Sinh viên: Trần Thị Thùy Dung MSSV:19439871 Lớp: DHVCI5 BAO CAO THUC HANH THIET KE HE THONG CHUNG CAT HE ACETONE - TOLUENE Ho va tén: TRAN THI THUY DUNG MSSV: 19437381 Lop: DHVC15 1. Tên nhiệm vụ: Tính toán hệ thống và thiết kế thiết bị tháp mâm chớp chưng cất hỗn hợp Acetone — Acetic acid với năng suất nhập liéu 1900 kg/h. Nhiệm vụ (yêu cầu về nội dung và số liệu ban đầu) + Số liệu ban đầu: - Nông độ nhập liệu 30 % phần mol acetone. - Nồng độ sản phâm đỉnh 85 % phần mol acetone.

- Nông độ sản phẩm day 5 % phan mol acetone. - Cac thong số khác tự chọn. CHUONG I: TONG QUAN 1. Tổng quan vẻ chưng cất 1.

Chưng cất là gì? Chưng cắt là một phương pháp tách dùng nhiệt đề tách hỗn hợp đồng thê (dung địch) của các chất lỏng, khí khác nhau thành các cầu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau sẽ đưa đến hóa chất tính khiết hơn. Bản chất Dựa vào nhiệt độ sôi hay nhiệt độ bay hơi khác nhau để tách các cầu tử bằng cách lặp đi lặp lại nhiều lần quá trình bay hơi và ngưng tụ 1. Nguyên Íí làm việc % Lặp lại bước tách hỗn hợp Nông độ của chất cần phải tách có thê được tiếp tục nâng cao bằng cách tiếp tục chưng cât lại phân cất. Nhiệt độ sôi khác nhau càng lớn thì người ta cân càng it lan chung cat dé đạt đến một nông độ nhât định.

Chưng cất phân đoạn Chưng cất phân đoạn là một trong những phương pháp kinh điển dùng đề tách các chất bay hơi ra khỏi một hôn hợp dựa vào sự khác biệt nhiệt độ sôi của các chât trong hôn hợp. & Chung cit léi cubn Phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước dựa trên sự khuếch tán và lôi cuốn theo hơi nước của những hợp chât hữu cơ trong tình dâu khi tiếp xúc với hơi nước ở nhiệt độ cao. Sự khuếch tán sẽ dé dàng khi tế bào chứa tĩnh dâu trương phông do nguyên liệu tiêp xúc với hơi nước bão hòa trong một thời gian nhật định. Rượu và các hỗn hợp đẳng phí Ứng dụng lâu đời nhất và đồng thời là được biết đến nhiều nhất của chưng cất là sản xuất rượu mạnh.

Đặc biệt, một tỷ lệ nhất định của hỗn hợp hai chất lỏng mà không thê tiếp tục tách bằng phương pháp chưng cất được nữa. Các hỗn hợp này được gọi là hỗn hợp đăng phí. Nếu muốn tăng nồng độ của cồn phải dùng đến các phương pháp tính cất đặc biệt khác. Các phương pháp chưng cất s* Chưng cất đơn giản Đây là quá trình chưng cất dùng đề tách các hỗn hợp gồm có các cầu tử có độ bay hơi khác nhau.

Phương pháp này thường dùng để tách sơ bộ hoặc làm sạch các cấu tử khỏi tạp chất. Cách tiến hành: Vật liệu được nạp vào noi chưng. Tại đây, vật liệu sẽ được đun nóng trực tiếp bằng củi hoặc than hoặc gián tiếp qua bộ phận truyền nhiệt đến nhiệt độ bay hơi. Khi sôi hơi bốc lên được ngưng tụ trong thiết bị làm lạnh.

Chất lỏng được thu vào bình chứa, các chất bã hoặc dung dịch khó bay hơi sẽ được tháo ra ngoài. Nếu muốn thu được sản phâm có độ tinh khiết cao hơn thì họ sẽ sử dụng phương pháp chưng cất đơn giản có hồi lưu tức là một phần khí bốc lên sẽ ngưng tụ tại thiết bị hồi lưu roi trở lại nồi chưng, phân còn lại qua thiết bị làm lạnh đề trở nên tinh khiết hơn. s* Chưng cất bằng hơi nước trực tiếp Đây là phương pháp dùng đề tách các hỗn hợp gồm các chất khó bay hơi và tạp chất không bay hơi, thường được ứng dụng trong trường hợp chất được tách không tan trong nước. Dây là phương pháp được dùng trong trường hợp cần hạ thấp nhiệt độ sôi của cầu tử.

Cách tiến hành: Phun hơi nước bão hòa hoặc quá nhiệt qua lớp chất lỏng bằng một bộ phận phun. Trong quá trình tiếp xúc giữa hơi nước và chất lỏng, các cấu tử cần tách sẽ khuếch tán vào hơi. Hỗn hợp hơi nước và cấu tử bay hơi sẽ được ngưng tụ và tách thành sản phẩm. Ưu điểm của chưng cất bằng hơi nước trực tiếp đó là giảm được nhiệt độ sôi, chủng ta có tách khi nó chưa đến nhiệt độ sôi của nó.

s* Chưng luyện Đây là phương pháp phô biên nhất đùng đề tách hoàn toàn hỗn hợp các cầu tử bay hơi có tính chất hòa tan một phần hoặc hòa tan hoàn toàn vào nhau. Chưng luyện ở áp suất thấp dùng cho các hỗn hợp dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao và hỗn hợp có nhiệt độ sôi quá cao. Cách tiến hành: Phương pháp chưng cất đơn giản không thu được sản phẩm có nồng độ tỉnh khiết cao vì vậy ta sẽ tiên hành chưng cât đơn giản nhiêu lân. Chỉ thu được một sản phâm đáy có nhiều câu từ ít bay hơi ta có một cách đó là cho các sản phâm đáy của nổi sau lần lượt quay lại nối trước.

Ưu điểm: Sản phẩm thu được có độ tinh khiết cao Nhược điểm: Bộ máy như vậy rất cong kẻnh. Giới thiệu sơ bộ về nguyên liệu 1. Acetone Tinh chat vat ly: ¢ Khoi luong phan tt : se - Khối lượng riêng ® - Nhiệt độ nóng chảy e Nhiệt độ sôi : 1. Tinh chat Acid acetic nóng chảy ở 16.6 %C, điểm sôi ở 118 °C, hỗn hợp tan trong nước với mọi tỷ lệ.

Trong quá trình hỗn hợp với nước có sự co thê tích, với tỷ trọng cực đại, chứa 733% axit acetic (D= 1.0553 doi voi acid thuân khiết). Người ta không thê suy ra được hàm lượng của acid acefic trong nước từ tỷ trọng của nó, ngoại trừ đôi với các hàm lượng dưới 439%. Tính ăn mòn kim loại: + Acid acetic an mon dat. + Nhôm bị ăn mòn bởi acid loãng, nó dé kháng tốt đối với acid acetic đặc và thuần khiết.

Đông và chỉ bị ăn mòn bởi acid acetic với sự hiện diện của không khí. + Thiếc và một số loại thép nikel — crom dé khang tốt với acid acetic. Acid acetic thuần khiết còn gọi là acid glaxial bởi vì nó đễ đàng đông đặc kết tính như nước đá ở dưới 17°C, được điều chế chủ yếu bằng sự oxy hóa đối với andehit acetic. Không màu sắc, không vị chua, tan trong nước và côn etylic.

Điều chế Axit acetic được điều chế bằng cách: + Oxy hóa có xúc tác đối với etylic đề biến thành andehit acetic, là một giai đoạn trung gian. Sự oxy hóa kéo dài sẽ tiếp tục oxy hóa andehit axetic thành axit axetic. CH;CHO + =0: = CH;COOH C;H;OH + O; = CH;COOH + H;O + Oxy hóa andehit axetic được tạo thành bằng cách tông hợp từ acetylen. Sự oxy hóa andehit được tiễn hành bằng khí trời với sự hiện điện của coban acetat.

Người ta thao tác trong andehit acetic ở nhiệt độ gần 80°C để ngăn chặn sự hình thành của peroxit. Hiệu suất đạt 95 — 98% so với lý thuyết. Người ta đạt được như thé rat dé dang sau khi ché acid acetic két tinh duoc. iL coban axetat ở 80°C CH;CHO+ 202 —————›CH;C00H + Tổng hợp đi từ cồn metylic và cacbon oxi.

Hiệu suất có thê đạt được là từ 50 — 60% so với lý thuyết bằng cách cô định cacbon oxit trên cồn metylic qua xúc tác. Nhiệt độ từ 200 - 500°C, áp suất 100 — 200atm CH;OH + CO = CH;COOH Với sự hiện diện của metaphotphic hoặc photpho — vonframat kim loại 2 và hóa trị (chăng hạn sắt, coban). Ứng dụng Axit acetic là một acid quan trọng nhất trong các loại acid hữu cơ. Axit acetic tim được rât nhiều ứng dụng vì nó là loại acid hữu cơ rẻ tiên nhật.

Nó được dùng đề chê tạo rất nhiều hợp chât và ester. Nguôn tiêu thụ chủ yêu cua acid acetic là: ¢ Lam dam ăn (dâm ăn chứa 4,5% acid acetic). ® - Làm đông đặc nhựa mủ cao su. ¢ Lam chat dẻo tơ sợi xunluloza acetat — làm phim ảnh không nhảy lựa.

Lam chất nhựa kết dính polyvinyl acetat. Làm các phâm màu, được phâm, nước hoa tổng hợp. Acetat nhôm đùng làm chất căn màu (mordant trong nghề nhuộm). Phân lớn các ester acetat đều là các dung môi, ví dụ: izoamyl acetat hòa tan được nhiều loại nhựa xenluloza.

CHUONG 3: CAN BANG VAT CHAT VA CAN BANG NANG LUQNG 3. Cân bằng vật chất 3. Các thông số ban đầu Chung cất hỗn hợp Acetone — Acetic acid Đề: Tính toán hệ thống và thiết kế thiết bị tháp mâm chớp chưng cất hỗn hợp Acetone — Acetic acid với năng suất nhập liéu 1900 kg/h. - Nông độ nhập liệu 30 % phần mol acetic.

- Nồng độ sản phâm đỉnh 85 % phần mol acetic. - Nồng độ sản phâm đáy 5 % phần mol Nước. - Các thống số khác tự chọn 3. Các ký hiệu X; nông độ phân khối lượng dòng nhập liệu X; nồng độ phân khối lượng dòng sản phẩm đỉnh Ấy nồng độ phân khối lượn dòng sản phâm đáy „.

kmol F xuất lượng mol đòng nhập liệu ( mẻ ) __k Gaxudt long dong nhap liu (+) , 2 kmol P xuât lượng mol dòng sản pham dinh CC) , 2 , kmol W xuất lượng đòng sản phâm đáy orn ) ‹ `. kmol Xrnông độ phân mol của dòng nhập liệu (+nh) kmol ) X,n6ong d6 phan mol của sản phẩm đỉnh ( kmolhh kmol Xw nồng độ phản mol của sản phẩm đáy (Tp) 3. Tính toán suất lượng các dòng của hệ thống F = 1900 kg/h _ kmol A kmol B_ kmol Xr=U.3 tHoINh CÔ XE = 9-3 Kmoihh? XE — Ủ-7 kmolhh _ kmol — A_ kmol B_ kmol Xp =0.85 Tolhh Xp ~ 9-85 kmolhh › Xp = 9-15 Gnothh _ kmol _—_ yA _ kmol B_ kmol Xw = 0.95 kmolhh F _————_- 1900 — kmol F= xOM +X 0M; Z03xs8+0.7x60 — 3123—p F=P+w X;xF=XpxP+XwxW i> 31.358 _ kg “er X,*M,+(1-X,)xM, 0.85 kg\ ig |? ,X „BP = 0.15/92__ at kg Xc= Xw* Ma _ 0. Xác định chỉ số hồi lưu Hệ cân bằng Acetone - Acid Acetic x 0 5 10 20 30 140 50 60 70 80 90 100 Y 0 16,2 | 30,6 | 55,7 | 72,5 | 84 91,2 | 94,7 | 96,9 | 98,4 | 99,3 | 100 TC | 118,1 | 110 | 103,8 | 93,1 | 85,8 |79,7 |74,6 | 70,2 |66,1 |62,6 |59,2 |56 Đường can bang Acetone — Acid Acetic 100 90 80 70 60 50 40 30 20 Hình 3.1 : Đường cân bằng lỏng hơi nước — axit acetic X,-Y'; min ~Y),-Xz Theo bảng cân bằng lỏng hơi Acetone — Acid Acetic X;=0,3=>Y “,=0.