CHƯƠNG 1. Lý thuyết về chưng cất. Các phương pháp chưng cất. Giới thiệu về nguyên liệu.
Hỗn hợp Aceton – Nước. QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ. Sơ đồ quy trình công nghệ. Thuyết minh quy trình công nghệ.
CÂN BẰNG VẬT CHẤT. Các thông số ban đầu. Suất lượng nhập liệu và sản phẩm đáy thu được. Dòng nhập liệu:.
Dòng sản phẩm đỉnh:. Dòng sản phẩm đáy:. Phương trình nồng độ làm việc. Chỉ số hồi lưu.
Xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu Rmin. Xác định chỉ số hồi lưu R thích hợp. Xác định hiệu suất trung bình thiết bị và số đĩa thực tế. CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG.
Cân bằng năng lượng thiết bị gia nhiệt nhập liệu. Phương trình cân bằng năng lượng. Tính toán số liệu. Cân bằng năng lượng thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh.
Phương trình cân bằng năng lượng. Tính toán số liệu. Cân bằng năng lượng thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh. Phương trình cân bằng năng lượng.
Tính toán số liệu. Cân bằng năng lượng thiết bị làm nguội sản phẩm đáy. Phương trình cân bằng năng lượng. Tính toán số liệu.
Cân bằng năng lượng thiết bị nồi đun đáy tháp. Phương trình cân bằng năng lượng. Tính toán số liệu. Cân bằng năng lượng thiết bị chưng cất.
Phương trình cân bằng năng lượng. Tính toán số liệu. THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHƯNG CẤT. Đường kính trong của tháp Dt.
Đường kính đoạn cất. Đường kính đoạn chưng. Tính chiều cao thiết bị. Tính toán chóp .4 Trở lực của tháp.
Tổng trở lực đoạn cất. Tổng trở lực đoạn chưng. Tính toán cơ khí của tháp. Bề dày thân tháp.
Bề dày của nắp và đáy thiết bị. Bích ghép đáy và nắp. Đường kính các ống dẫn – Bích ghép các ống dẫn. Khối lượng của toàn tháp.
69 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 70 MỤC LỤC BẢNG Bảng 1. Ưu nhược điểm của các loại tháp chưng cất. Bảng giá trị cân bằng lỏng hơi của hệ Aceton - Nước.
Quan hệ giữa chỉ số hồi lưu và mâm lý thuyết. Bảng kích thước các bích ghép ống dẫn. 64 MỤC LỤC HÌNH ẢNH Hình 1. Đồ thị đường cân bằng lỏng hơi Aceton - Nước.
Sơ đồ quy trình công nghệ. Đồ thị thể hiện quan hệ giữa chỉ số hồi lưu và mâm lý thuyết. Thiết bị gia nhiệt nhập liệu. Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh.
Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh. Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy. Thiết bị nồi đun đáy tháp. Thiết bị chưng cất.
Bố trí ống chảy chuyền. Nắp và đáy thiết bị. Bích ghép thân đáy và nắp. Bích ghép các ống dẫn.
Lý thuyết về chưng cất 1. Khái niệm 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 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 thụ hoặc nhã 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 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 nhiều 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 gồm các cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần rất ít các cấu tử có độ bay hơi bé. - Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi bé và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi lớn. Đối với hệ Aceton – Nước thì: - Sản phẩm đỉnh chủ yếu là Aceton và một ít nước.
- Sản phẩm đáy chủ yếu là nước và một ít Aceton. Các phương pháp chưng cất 1. Phân loại theo áp suất làm việc - Áp suất thấp - Áp suất thường - Áp suất cao 1. Phân loại theo nguyên lý làm việc - Chưng cất đơn giản - Chưng bằng hơi nước trực tiếp - Chưng cất 1.
Phân loại theo phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp - Cấp nhiệt trực tiếp 1 - Cấp nhiệt gián tiếp Trong trường hợp này, do sản xuất Aceton với yêu cầu có độ tinh khiết cao khi sử dụng, với hỗn hợp Aceton – Nước là hỗn hợp không có điểm đẳng phí nên chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp nhiệt gián tiếp bằng nồi đun ở áp suất thường là hiệu quả nhất. Thiết bị chưng 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 bề 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,…Ở đây ta khảo sát 2 loại thường dùng là tháp mâm và 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… Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh. Tháp chêm (tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều 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.
Ở đây, ta so sánh ưu và nhược điểm của các loại tháp này: Bảng 1. Ưu nhược điểm của các loại tháp chưng cất Tháp mâm Tháp chêm Tháp mâm chóp xuyên lỗ -Cấu tạo khá đơn giản. - Trở lực tương - Có tính ổn định cao. - Trở lực thấp.
- Hiệu suất cao. - Hiệu suất khá - Làm việc được với chất - Dễ dàng làm vệ sinh cao. lỏng bẩn nếu dùng đệm thông qua các cửa sữa có cầu có 𝑝 ≈ 𝑝 của chất chữa. - Chi phí tháp mâm có đường kính lớn rẻ - Tổng khối lượng tháp mâm thường nhỏ hơn so với tháp chêm.
- Có 2 - Do có hiệu ứng thành, - Không làm việc - Có trở lực lớn. nên hiệu suất truyền khối được với chất lỏng - Tiêu tốn nhiều vật tự, thấp. kết cấu phức tạp - Độ ổn định không cao, - Kết cấu khá phức khó vận hành. Nhược điểm -Do có hiệu ứng thành, nên khi tăng năng suất thì hiệu ứng thành tăng, làm khó tăng năng suất.
- Thiết bị khá nặng n Vậy chọn tháp mâm chóp để chưng cất hỗn hợp Aceton – Nước. Giới thiệu về nguyên liệu Nguyên liệu gồm: hỗn hợp Aceton – Nước. Aceton Aceton có công thức phân tử: CH3-CO-CH3. Khối lượng phân tử: 58,079 đvC.
Là chất lỏng không mùi, dễ lưu động và dễ cháy, với một cách êm dịu và có mùi thơm. Hòa tan vô hạn trong nước và một số hợp chất hữu cơ: eter, metanol, etanol, diaceton alcohol,… Một số thông số vật lý và nhiệt độ của etanol: Nhiệt độ nóng chảy: -94,6oC Nhiệt độ sôi: 56,9oC Nhiệt dung riêng CP: 22 Kcal/mol (Chuẩn ở 102oC) Độ nhớt 𝜇: 0,316 cp (ở 250oC) Nhiệt trị: 0,5176 cal/g (ở 20oC) Tính chất hóa học: Cộng hợp với natri bisunfit: CH3-CO-CH3 + H2O→ CH3-(OH)C(CH3)- SO3Na (1-metyl-1-hydroxi etan sunfonat natri) Cộng hợp acid HCN: CH3-CO + HCN → CH3-(OH)CO(CH3)-CH3 (pH= 4 – 8) Phản ứng ngưng tụ: 3 CH3-CO-CH3 + HCH2-(CH3)CO → CH3-(OH)CO(CH3)-CH2-CO-CH3 (4-oxy-4-metyl-2-pentanon) Aceton khó bị oxi hóa bởi thuốc thử Pheling, Toluen, HNO3đđ, KMnO4,. Chỉ bị oxi hóa bởi hỗn hợp KMnO4 + H2SO4, Sunfocromic K2Cr2O7 + H2SO4. Bị gãy mạch cacbon.
CH3-CO-CH3 → CH3-CO-CH2OH → CH3-CO-CHOH → CH3COOH + HCOOH Phản ứng khử hóa: CH3-CO-CH3 + H2 → CH3-CH(OH)-CH3 Điều chế: Oxy hóa rượu bậc 2: CH3-CH(OH)-CH3 → CH3-CO-CH3 + H2O Theo phương pháp Piria: nhiệt phân muối canxi của acid cacboxylic: (CH3COO)2Ca → CH3-CO-CH3 + CaCO3 Từ dẫn xuất cơ mangiê: CH3-CO-Cl + CH3-Mg-Br → CH3-CO-CH3 + Cl-Mg-Br Sản xuất Aceton Tổng hợp Aceton bằng cách Dehydro Isopropyl Alcol có xúc tác: CH3-CH(OH)-CH3 + 15,9 Kcal (ở 327oC) → CH3-CO-CH3 + H2 - Xúc tác sử dụng ở đây: đồng và hợp kim của nó, oxit kim loại và muối. - Ở nhiệt độ khoảng 325oC, hiệu suất khoảng 97%. - Dòng khí nóng sau phản ứng gồm có: Aceton, lượng Isopropyl Alcol chư 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 Aceton ở đỉnh và hỗn hợp của nước, Isopropyl Alcol (ít) ở đáy. Ngoài ra, còn một số quá trình sản xuất Aceton khác: - Oxi hóa Cumene Hydro Peroxide thành Phenol và Aceton - Oxi hóa trực tiếp Butan – Propan - Lên men Cacbon hydrate bởi vi khuẩn đặc biệt - Công ty Shell sử dụng nó như một sản phẩm phụ. Ứng dụng 4 Aceton được ứng dụng nhiều làm dung môi cho công nghiệp, ví dụ cho vecni, sơn, sơn màu, cellulose acetate, nhựa, cao su,… Nó hòa tan tốt tơ acetate, nitroxenluloz, nhựa phenol focmandehyt, chất béo, dung môi pha sơn, mực in ống đồng. Aceton là nguyên liệu để tổng hợp thủy tinh hữu cơ.
Từ Aceton có thể tổng hợp ceten, sumfonat (thuốc ngủ), các holofom. Nước Trong điều kiện bình thường, nước là chất lỏng không màu, không mùi, không vị, nhưng khối nước dày có màu xanh nhạt. Khi hóa rắn nó có thể tồn tại ở 5 dạng tinh thể khác nhau. Khối lượng phân tử: 18 (g/mol) Khối lượng riêng: 1 (g/mol) Nhiệt độ nóng chảy: 0oC Nhiệt độ sôi: 100oC Nước là hợp chất chiếm phần lớn trên trái đất (3/4 diện tích trái đất là nước biển) và rất cần thiết cho sự sống.
Nước là dung môi phân cực mạnh, có khả năng hòa tan nhiều nhất và là dung môi rất quan trọng trong kỹ thuật hóa học. Hỗn hợp Aceton – Nước Bảng 2.