LỜI MỞ ĐẦU Chưng cất từ lâu đã là một phương pháp phổ biến dùng để tách hỗn hợp các cấu tử để thu được những sản phẩm có nồng độ cao.Trong một số dây chuyền sản xuất trong công nghiệp,chưng cất là một khâu quan trọng quyết định chất lượng sản phẩm. Đối với quá trình công nghệ yêu cầu tách hỗn hợp nhiều cấu tử với năng suất lớn và độ tinh khiết cao,người ta thường tiến hành quá trình chưng luyện liên tục Và để hiểu rõ hơn về quá trình chưng luyện,em được giao đề tài tính toán thiết kế tháp chưng luyện liên tục loại tháp đĩa lỗ có kênh chảy truyền để tách hỗn hợp hai cấu tử Ethanol (C2H5OH)-Nước (H2O) với năng suất đầu 3,6 kg/s , nồng độ hỗn hợp đầu 24% khối lượng , nồng độ sản phẩm đỉnh 92% khối lượng ,nồng độ sản phẩm đáy 1,2% khối lượng Việc làm đồ án giúp sinh viên từng bước tiếp cận với thực tiễn sau khi đã hoàn thành khối lượng kiến thức của 3 học phần “ Quá trình thiết bị I,II,III” cùng với một số kiến thức của các môn cơ sở ngành khác. Qua việc làm đồ án, sinh viên biết cách tìm và sử dụng tài liệu tham khảo để tra cứu, vận dụng những kiến thức, quy định thiết kế, tự nâng cao kỹ năng vận dụng, tính toán, trình bày nội dung bản thiết kế theo văn phong khoa học và nhìn nhận vấn đề một cách có hệ thống. Em xin chân thành cảm ơn thầy Đỗ Xuân Trường đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn và truyền đạt những kinh nghiệm quý báu để em hoàn thành đồ án.
Trong quá trình làm đồ án do còn thiếu kinh nghiệm và không tránh khỏi các sai lầm, thiếu sót, kính mong sự đóng góp nhiệt tình của quý thầy, cô để đồ án của em được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! SVTH: Trần Xuân Thành – 20180938 1 Đồ án chuyên ngành QTTB GVHD: TS. Đỗ Xuân Trường PHẦN I. GIỚI THIỆU CHUNG 1.Tổng quan về quá trình chưng luyện 1.Khái niệm về chưng cất Chưng là phương pháp tách hỗn hợp chất lỏng ( cũng như các hỗn hợp khí đã hoá lỏng thành những cấu tử riêng biệt, dựa trên độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp ( khi ở cùng nhiệt độ,áp suất hơi bão hoà của các cấu tử khác nhau ).
Khi chưng,ta thu được nhiều sản phẩm.Thường hỗn hợp chứa bao nhiêu cấu tử thì có bấy nhiêu sản phẩm.Trường hợp có hai cấu tử,sẽ thu được : - Sản phẩm đỉnh gồm cấu tử dễ bay hơi và một phần cấu tử khó bay hơi - Sản phẩm đáy gồm chủ yếu cấu tử khó bay hơi và một phần cấu tử dễ bay hơi Để có thể thu được sản phẩm đỉnh tinh khiết sẽ tiến hành chưng nhiều lần ( còn gọi là chưng luyện ) Phân loại phương pháp chưng : - Theo áp suất làm việc : Áp suất chân không Áp suất thường Áp suất cao - Số lượng cấu tử trong hỗn hợp Hệ hai cấu tử Hệ ba hoặc số cấu tử ít hơn mười Hệ nhiều cấu tử (lớn hơn mười cấu tử ) - Phương thức làm việc Liên tục Gián đoạn Quá trình chưng luyện liên tục được ứng dụng phổ biến trong sản xuất - Chưng luyện ở áp suất chân không : dùng trong trường hợp cần hạ thấp nhiệt độ sôi của cấu tử ( đối với các cấu tử dễ bị phân huỷ ở nhiệt độ cao hay có nhiệt độ sôi quá cao) - Chưng luyện ở áp suất cao : dùng trong trường hợp hỗn hợp không hoá lỏng ở áp suất thường SVTH: Trần Xuân Thành – 20180938 2 Đồ án chuyên ngành QTTB GVHD: TS. Đỗ Xuân Trường - Chưng luyện ở áp suất thường : có thể thực hiện khi sản phẩm không có các tính chất như dễ phân huỷ ở nhiệt độ cao,nhiệt độ sôi quá cao hay hoá lỏng ở áp suất thường 1.Thiết bị chưng luyện Các thiết bị được sử dụng trong quá trình chưng luyện : - Tháp đĩa lưới - Tháp đĩa lỗ có kênh chảy truyền - Tháp đĩa chóp - Tháp đệm Tháp đĩa lỗ có kênh chảy Tháp đĩa lưới Tháp đĩa Tháp đệm truyền chóp Ưu -Cấu tạo đơn giản -Hiệu suất -Hiệu suất -Bề mặt tiếp xúc điểm tương đối cao cao,hoạt pha lớn,hiệu suất -Vệ sinh dễ dàng động ổn định cao -Hoạt động khá -Trở lực thấp hơn tháp ổn định -Cấu tạo đơn giản chóp Trở lực nhỏ -Lượng vật liệu sử dụng để chế tạo ít hơn -Giới hạn làm việc tương đối rộng Nhược -Yêu cầu lắp đặt cao,đĩa -Cấu tạo phức -Chế tạo -Khó làm ướt đều điểm phỉa lắp rất phẳng tạp,yêu cầu lắp phức tạp đệm,cần sử dụng đặt cao thêm bộ phân -Cần có bộ phận phân -Trở lực lớn phân phối lỏng phối lỏng -Trở lực khá cao -Với những tháp đường kính quá lớn (>2,4m) chất lỏng phân phối không đều trên đĩa SVTH: Trần Xuân Thành – 20180938 3 Đồ án chuyên ngành QTTB GVHD: TS. Đỗ Xuân Trường Trong đồ án này,ta sử dụng tháp đĩa lỗ có kênh chảy truyền để tách hỗn hợp 2 cấu tử Ethanol và nước 2. Hỗn hợp cần tách Hỗn hợp cần tách là hệ 2 cấu tử Etanol (C2H5OH) và nước (H2O) ,đây là hỗn hợp thường xuất hiện trong quá trình lên men tinh bột để sản xuất Etanol.Hỗn hợp thu được sau khi lên men đường,tinh bột, có thành phần chủ yếu là Etanol và nước,ta cần thực hiện quá trình chưng luyện để thu được Etanol có nồng độ cao 2.
Các tính chất của nước -Nước là chất lỏng,trong suốt,không màu,không mùi,không vị Khối lượng riêng: 997 kg/m3 Điểm sôi: 100 ℃ Khối lượng phân tử : 18g/mol 2. Các tính chất của Etanol -Etanol: là chất lỏng trong suốt,không màu,có mùi,dễ cháy ,tan vô hạn trong nước,dễ bay hơi Khối lượng phân tử: 46,07 g/mol Điểm nóng chảy : -114,1℃ Điểm sôi : 78,37 ℃ Khối lượng riêng : 789 kg/m3 2. Ứng dụng Ethanol trong công nghiệp - Sử dụng trong các sản phẩm chống đông lạnh vì điểm nóng băng thấp - Điều chế một số hợp chất hữu cơ : acid acetic,dietyl ete,etyl axetat - Pha chế xăng sinh học - Làm cồn thực phẩm - Tạo đồ uống có cồn - Sử dụng trong dược phẩm và y học - Chất chống vi khuẩn,sát trùng - Ở nồng độ nhất định làm dung dịch tẩy rửa,vệ sinh dụng cụ y tế SVTH: Trần Xuân Thành – 20180938 4 Đồ án chuyên ngành QTTB GVHD: TS. Đỗ Xuân Trường - Làm thuốc ngủ SVTH: Trần Xuân Thành – 20180938 5 Đồ án chuyên ngành QTTB GVHD: TS.
Đỗ Xuân Trường PHẦN II.SƠ ĐỒ HỆ THỐNG CHƯNG LUYỆN LIÊN TỤC 1.Sơ đồ công nghệ (PFD) STT Kí hiệu Tên thiết bị 1 P-1 2 P-2 Bơm ly tâm 3 P-3 4 HE-1 Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 5 HE-2 Thiết bị ngưng tụ đỉnh tháp 6 HE-3 Thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh 7 HE-4 Thiết bị đun sôi đáy tháp 8 D-1 Tháp chưng luyện 9 T-1 Thùng chứa hỗn hợp đầu 10 T-2 Thùng chứa sản phẩm đáy SVTH: Trần Xuân Thành – 20180938 6 Đồ án chuyên ngành QTTB GVHD: TS. Đỗ Xuân Trường 11 T-3 Thùng chứa sản phẩm đỉnh 12 F-1 Lưu lượng kế Thuyết minh sơ đồ Dung dịch đầu từ thùng chứa hỗn hợp đầu T-1 được bơm P-1 bơm liên tục đi qua lưu lượng kế F-1 đưa vào thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu HE-1.Tại thiết bị gia nhiệt HE- 1,dung dịch được gia nhiệt bằng hơi nước bão hoà có áp suất 5 at tới nhiệt độ sôi và tiếp tục đi vào tháp chưng luyện D-1 ở vị trí đĩa tiếp liệu. Trong tháp xảy ra quá trình chuyển khối,dòng hơi đi từ dưới lên qua các lỗ ở mỗi đĩa ,dòng lỏng đi từ trên xuống qua các kênh chảy truyền,mức chất lỏng trên đĩa phụ thuộc chiều cao gờ chảy tràn. Nồng độ của các cấu tử thay đổi theo chiều cao của tháp,nhiệt độ sôi cũng thay đổi tương ứng với sự thay đổi nồng độ.Cụ thể trên đĩa 1,chất lỏng có nồng độ x1 ,lượng hơi bốc lên có nồng độ y1 ,trong đó y1>x1.
Hơi này đi qua lỗ trên đĩa 2 tiếp xúc với lỏng ở đó.Nhiệt độ của chất lỏng ở đĩa 2 thấp hơn đĩa 1 nên 1 phần hơi được ngưng tụ lại,do đó nồng độ cấu tử dễ bay hơi trên đĩa này là x2 > x1. Hơi bốc lên từ đĩa 2 có nồng độ cấu tử dễ bay hơi là y2>x2 đi lên đĩa 3, nhiệt độ của lỏng trên đĩa 3 thấp hơn đĩa 2, nên hơi được ngưng tụ một phần và chất lỏng trên đĩa 3 có nồng độ x3>x2. Trên mỗi đĩa xảy ra quá trình truyền chất giữa pha lỏng và pha hơi, quá trình bốc hơi và ngưng tụ một phần lặp lại nhiều lần, cuối cùng trên đỉnh tháp thu được sản phẩm đỉnh có nồng độ cấu tử dễ bay hơi cao và dưới đáy tháp thu được sản phẩm đáy có nồng độ cấu tử khó bay hơi cao Lượng hơi đi ra khỏi tháp sẽ đi vào thiết bị ngưng tụ HE-2 để ngưng tụ thành lỏng với chất tải nhiệt là nước 25oC .Sau đó một phần sản phẩm được hồi lưu trở lại tháp bằng bơm P-3 để tạo dòng lỏng đi trong tháp ,lượng còn lại đi vào thiết bị làm lạnh HE-3 để hạ nhiệt độ sản phẩm đỉnh trước khi vào thùng chứa T-3 Lượng lỏng đi ra khỏi thiết bị đi vào thiết bị đun sôi đáy tháp HE-4.Ở đây một phần sản phẩm đáy được gia nhiệt để bay hơi tạo dòng hơi đi trong tháp,lượng lỏng còn lại sẽ đi ra khỏi thiết bị và vào thùng chứa T-2 Quá trình chưng luyện là liên tục SVTH: Trần Xuân Thành – 20180938 7 Đồ án chuyên ngành QTTB GVHD: TS. Đỗ Xuân Trường 2.Sơ đồ P&I Kí hiệu TT Đo và chuyển đổi nhiệt độ TC Điều khiển nhiệt độ TY Tính toán nhiệt độ TIC Chuyển đổi và hiển thị nhiệt độ TI Hiển thị nhiệt độ PI Hiển thị áp suất FC Điều khiển lưu lượng dòng FIC Điều khiển nhiệt độ có hiển thị FT Đo và chuyển đổi lưu lượng LT Đo và chuyển đổi mức LC Điều khiển mức SVTH: Trần Xuân Thành – 20180938 8 Đồ án chuyên ngành QTTB GVHD: TS.
Đỗ Xuân Trường LIC Đo và chuyển đổi mức có hiển thị LAH Cảnh báo vượt mức LAL Cảnh báo dưới mức Thuyết minh sơ đồ Dòng nguyên liệu đầu trước khi đi vào thiết bị gia nhiệt HE-1 sẽ đi qua thiết bị đo lưu lượng FT ,từ đó truyền tín hiệu tới van điều khiển V-1 để thực hiện điều chỉnh lưu lượng dòng phù hợp.