CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Nguyên liệu đầu vào 1. Tổng quan về methanol Methanol là một hợp chất hữu cơ nằm trong dãy đồng đẳng của alcohol. Có công thức hóa học của nó là CH4O hay CH3OH ( một nhóm methyl liên kết với một nhóm hydroxyl phân cực, thường viết tắt là MeOH), mang tính chất của một alcohol đơn chức.
Methanol còn được biết đến như là rượu methylic, alcohol gỗ, naphtha gỗ hay rượu mạch gỗ.1: Công thức cấu tạo của methanol Methanol là cồn công nghiệp, rất độc, uống lượng nhỏ gây mù mắt, nhiều hơn có thể tử vong. Khi uống vào, methanol gây tổn thương não, dây thân kinh thị giác, hoại tử não, tổn thương nội tạng. Bình thường ở ngưỡng 10ml methanol nguyên chất có thể gây mù vĩnh viễn bằng cách phá hủy dây thần kinh thị giác, 30ml có khả năng gây tử vong. Tính chất vật lý và thông số hóa lý Methanol là rượu đơn giản, nhẹ, dễ bay hơi, không màu, dễ cháy, rất độc.
Công thức phân tử CH3OH Khối lượng phân tử, g/mol 32,04 Khối lượng riêng, kg/m3 (25℃) 791,8 Nhiệt độ nóng chảy, ℃ (760 mmHg) -97 Nhiệt độ sôi, ℃ (760 mmHg) 64,5 Nhiệt dung riêng, kJ/kg.℃ 2,742 Độ nhớt, Ns/m2 (25℃) 0,59 Bảng 1.1: Các thông số hóa lý của methanol 1 1. Ứng dụng Methanol được sử dụng như chất chống đông, dung môi, nhiên liệu cho các động cơ đốt trong và như là một chất làm biến tính methanol. Ứng dụng lớn nhất của methanol là dùng để sản xuất các hóa chất khác. Khoảng 40% methanol được chuyển thành formal dehyde, từ đó sản xuất ra chất dẻo, sơn,.Các hóa chất khác được dẫn xuất từ methanol bao gồm dimethylete,.
Tổng quan về nước Nước (H2O) là hợp chất phân cực ở nhiệt độ phòng, một chất lỏng không mùi và không vị, gần như không màu. Là hợp chất hóa học được nghiêng cứu nhiều nhất và được mô tả là “dung môi vạn năng” và “dung môi của sự sống”. Nước là chất có nhiều trên Trái Đất và là chất phổ biến duy nhất tồn tại dưới dạng chất rắn, lỏng và khí trên bề mặt Trái Đất. 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.
Các phân tử nước hình thành liên kết hydro với nhau và phân cực mạnh, cho phép nó tách các ion trong muối và liên kết với các phân tử phân cực khác như rượu và acid, do đó hòa tan chúng. Liên kết hydro của nó gây ra những tính chất độc đáo, chẳng hạn như có dạng rắn ít đậm đặc hơn dạng lỏng, có điểm sôi tương đối cao là 100oC và khả năng tỏa nhiệt cao. Nước là chất lưỡng tính, có nghĩa là nó có thể thể hiện các tính chất của acid hoặc base, tùy thuộc vào pH của dung dịch mà nó có trong đó; nó đẽ dàng tạo ra cả ion H+ và OH-. Về mặt hình học thì phân tử nước có góc liên kết là 104,45°.
Do các cặp điện tử tự do chiếm nhiều chỗ nên góc này sai lệch đi so với góc lý tưởng của hình tứ diện. Chiều dài của liên kết O-H là 96,84 picomet.2: Công thức cấu tạo của nước 2 1. Tính chất vật lý và thông số hóa lý Tính dẫn điện: Thực chất thì nước tinh khiết (nước cất) không dẫn điện. Nước thông thường thường chứa nhiều loại muối tan.
Tính dẫn điện của nước thông thường phụ thuộc vào tổng lượng muối trong nước, tính chất các muối và nhiệt độ của nước. Nước khoáng hoá cao thường có tính dẫn điện mạnh. Tính dẫn nhiệt: nước có khả năng dẫn nhiệt tốt. Công thức phân tử H2 O Khối lượng phân tử, g/mol 18 Khối lượng riêng, kg/m3 (25℃) 997,08 Nhiệt độ nóng chảy, ℃ (760 mmHg) 0 Nhiệt độ sôi, ℃ (760 mmHg) 100 Nhiệt dung riêng, kJ/kg.℃ 4,187 Độ nhớt, Ns/m2 (25℃) 0,9005 Bảng 1.2: Các thông số hóa lý của nước 1.
Ứng dụng Hòa tan chất dinh dưỡng cho cơ thể sống Tham gia vào quá trình hóa học trong cơ thể người và động vật Có vai trò rất quan trọng trong đời sống: sản xuất công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải,… Nước là thành phần quan trọng của các tế bào sinh học và là môi trường của các quá trình sinh hóa cơ bản như quang hợp tạo thành khí oxi: 𝑞𝑢𝑎𝑛𝑔 ℎợ𝑝 6H2O + 6CO2 → C6H12O6 + 6O2 3 Nước rất cần thiết cho đời sống hàng ngày, sản xuất nông nghiệp, công nghiệp, xây dựng, giao thông vận tải. Sự sống trên Trái Đất đều bắt nguồn từ nước và phụ thuộc vào nước. Nước có ảnh hưởng quyết định đến khí hậu một khu vực, là nguyên nhân tạo ra thời tiết. Hỗn hợp Methanol – nước Hỗn hợp methanol- nước có bảng thành phần lỏng (x) - hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp methanol - nước ở áp suất 760mmHg.
( tra bảng IX.3: Cân bằng lỏng hơi cho hệ methanol – nước Từ bảng 3 ta vẽ được giản đồ nhiệt độ - nồng độ cho hệ methanol – nước: 105 100 95 Đường lỏng 90 Đường hơi Nhiệt độ, t (pC) 85 80 75 70 65 60 0 20 40 60 80 100 x,y (%mol) Hình 1.3: Đồ thị nhiệt độ - thành phần lỏng hơi của hệ methanol – nước 4 100 90 80 70 y (%mol) 60 50 40 30 20 10 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 x (%mol) Hình 1.4: Đồ thị mối quan hệ thành phần trong pha lỏng và hơi của hệ methanol – nước 1. Tổng quan lý thuyết chưng cất 1. Khái niệm Chưng cất là quá trình phân riêng các cấu tử của một hỗn hợp lỏng (cũng như hỗn hợp hơi/khí - lỏng) ra thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của chúng (nghĩa là khi ở cùng một nhiệt độ, áp suất hơi bão hòa của các cấu tử khác nhau. Khi chưng cất, ta thu được rất 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 chỉ thu được 2 sản phẩm: 5 − Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm có cấu tử có áp suất hơi bão hòa lớn (nhiệt độ sôi nhỏ). − Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có áp suất hơi bão hòa nhỏ (nhiệt độ sôi lớn). Đối với hệ methanol - nước − Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm methanol và một ít nước. − Sản phẩm đáy chủ yếu gồm nước và một ít methanol.
Các phương pháp chưng cất Phân loại theo áp suất làm việc: − Áp suất thấp. − Áp suất thường. Nguyên tắc của phương pháp này là dựa vào nhiệt độ sôi của các cấu tử, nếu nhiệt độ sôi của các cấu tử quá cao thì ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi của các cấu tử. Phân loại theo nguyên lí làm việc: − Chưng cất đơn giản (gián đoạn): phương pháp này được sử dụng trong các trường hợp sau: khi nhiệt độ sôi các cấu tử khác xa nhau, 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 hỗn hợp 2 cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục) là quá trình thực hiện liên tục, nghịch dòng, nhiều đoạn. Phân loại theo phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp: − Cấp nhiệt trực tiếp cho đáy tháp bằng hơi nước: khi chưng cất hỗn hợp nhập liệu thu được nước ở đáy tháp chưng cất, cấu tử còn lại dễ bay hơi thì ta có thể sử dụng hơi nước để cấp nhiệt trực tiếp cho đáy tháp. − Sử dụng nồi đun để cấp nhiệt cho đáy tháp chưng cất (gián tiếp): nồi đun cho tháp chưng cất là thiết bị trao đổi nhiệt được đặt ở đáy tháp để cung cấp nhiệt cho hệ thống. Các loại nồi đun cho tháp chưng cất: + Thiết bị trao đổi nhiệt loại 2 vỏ: dùng cho tháp chưng cất năng suất nhỏ 6 + Nồi đun đặt ngoài: dùng cho tháp chưng cất năng suất cao.
Chất tải nhiệt nóng đi trong ống hơi đi và tháp cân bằng với dòng sản phẩm đáy, do đó nối đun được xem là một mâm lí thuyết. + Thiết bị trao đổi nhiệt đặt đứng: Chất tải nhiệt đi ngoài ống bốc hơi hoàn toàn phần lỏng đi và nồi đun. Do đó hơi có chung thành phần với dòng sản phẩm đáy. + Thiết bị trao đổi nhiệt nhận dòng lỏng từ mâm đáy và nó chỉ bốc hơi một phần Đối với hệ methanol – nước, do sản phẩm là methanol yêu cầu độ tinh khiết cao với hỗn hợp methanol – nước là hỗn hợp không có điểm đẳng phí ta nên chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp nhiệt gián tiếp bằng nồi đun đặt ngoài với 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 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 sử dụng tháp mâm xuyên lỗ để chưng cất hệ Methanol – Nước. 7 CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 2.
Sơ đồ quy trình công nghệ (file đính kèm) 2. Thuyết minh về quy trình công nghệ Hỗn hợp Methanol – nước có nổng độ nhập liệu Methanol 25% theo khối lượng, nhiệt độ khoảng 28oC tại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm lên thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng lống (3) để gia nhiệt ban đầu cho dòng nhập liệu. Tại đây, dòng nhập liệu trao đổi nhiệt với hơi nước bão hòa có áp suất 2at, gia nhiệt dòng nhập liệu đến nhiệt độ sôi của hỗn hợp 83,79oC. Hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất số (7) ở mâm nhập liệu.
Trong đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn luyện của tháp chảy xuống. Trong tháp, hơi đi từ dưới lên gặp chất lỏng đi từ trên xuống.