CHƯƠNG 1. Cơ sở lý thuyết về chưng cất 1. Chưng cất là gì? Chưng cất là phương pháp tách hỗn hợp chất lỏng (cũng như các hỗn hợp khí đã hóa lỏng) thành những cấu tử riêng biệt, dựa trên độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp. Khi chưng cất, ta thu được nhiều sản phẩm.
Thông thường hỗn hợp chứa bao nhiêu cấu tử thì có bấy nhiêu sản phẩm. Trường hợp ta đang xét trong đồ án này là hệ 2 cấu tử - là những đối tượng của quá trình chưng cất mà ta gặp trong thực tế. Do đó, sản phẩm đỉnh gồm chủ yếu là cấu tử dễ bay hơi và một phần cấu tử khó bay hơi. Tương tự, sản phẩm đáy gồm chủ yếu là cấu tử khó bay hơi và một phần cấu tử dễ bay hơi.
Do sản phẩm thu được có độ tinh khiết không thực sự cao nên để có thể thu được sản phẩm có độ tinh khiết cao ta sẽ thực hiện chưng cất nhiều lần. Nguyên tắc làm việc Pha lỏng đi từ trên xuống có nồng độ cấu tử dễ bay hơi giảm dần. Pha khí đi từ dưới lên có nồng độ cấu tử dễ bay hơi tăng dần. Nồng độ các cấu tử thay đổi theo chiều cao của tháp, nhiệt độ sôi cũng thay đổi tương ứng với sự thay đổi nồng độ.
Trên mỗi đĩa xảy ra quá trình truyền khối giữa pha lỏng và pha hơi. Dẫn đến một phần cấu tử dễ bay hơi chuyển từ pha lỏng sang pha hơi, phần cấu tử khó bay hơi hơn sẽ chuyển từ pha hơi sang pha lỏng. Quá trình bốc hơi và ngưng tụ lặp lại nhiều lần. Cuối cùng ở đỉnh tháp ta thu được cấu tử dễ bay hơi tinh khiết nhất có thể và tương tự ở đáy tháp ta thu được cấu tử khó bay hơi tinh khiết nhất có thể.
Trang |2 THÁP CHƯNG CẤT MÂM CHÓP HỆ NƯỚC – ACETIC ACID GVHD: TS. TRẦN THỊ NHUNG 1. Các phương pháp chưng cất Dựa vào trình độ công nghệ và khoa học, hóa học hiện nay, có bốn phương pháp chưng cất phổ biến. Mỗi phương pháp đều có tính chất và đặc trưng riêng, dùng trong những trường hợp khác nhau, bao gồm: Chưng bằng hơi nước trực tiếp Dùng để 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 vào nước. Chưng cất đơn giản Dùng để tách các hỗn hợp gồm các cấu tử có nhiệt độ sôi rất khác nhau (chênh nhau trên 25oC). Sản phẩm cho độ tinh khiết không cao. Tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi.
Tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử. Chưng cất gián đoạn Dùng để tách các hỗn hợp gồm các cấu tử có nhiệt độ sôi chênh lệch nhau không nhiều. Sản phẩm cho độ tinh khiết cao. Chưng cất chân không Dùng trong trường hợp cần hạ thấp nhiệt độ sôi của cấu tử.
Trang |3 THÁP CHƯNG CẤT MÂM CHÓP HỆ NƯỚC – ACETIC ACID GVHD: TS. TRẦN THỊ NHUNG 1. Thiết bị chưng cất Ưu điểm Nhược điểm Yêu cầu lắp đặt cao – mâm lắp phải Tháp chưng Chế tạo đơn giản, vệ sinh dễ rất phẳng, đối với những tháp có cất dùng mâm dàng, trở lực thấp hơn tháp đường kính quá lớn (lớn hơn 2,4m) xuyên lỗ hoặc chóp và ít tốn kim loại hơn ít dùng mâm xuyên lỗ vì khi đó chất mâm đĩa lưới tháp chóp. lỏng phân phối không đều trên mâm.
Tháp chưng Hiệu suất truyền khối cao, ổn cất dùng mâm định, ít tiêu hao năng lượng Chế tạo phức tạp và có trở lực lớn chóp. hơn nên có số mâm ít hơn Hiệu suất thấp, kém ổn định do sự phân bố các pha theo tiết diện tháp không đều, sử dụng tháp chêm Tháp đệm không cho phép ta kiểm soát quá Chế tạo đơn giản, trở lực (tháp chưng trình chưng cất theo không gian thấp. cất dùng vật tháp trong khi đó ở tháp mâm thì chêm) quá trình thể hiện qua từng mâm một cách rõ ràng, tháp chêm khó chế tạo được kích thước lớn ở quy mô công nghiệp. Từ các ưu nhược điểm trên, ta chọn tháp chưng cất dùng mâm chóp để tiến hành tính toán thiết kế cho đồ án vì tháp mâm chóp thích hợp cho thiết bị hoạt động dài lâu và có độ ổn định cao.
Trang |4 THÁP CHƯNG CẤT MÂM CHÓP HỆ NƯỚC – ACETIC ACID GVHD: TS. TRẦN THỊ NHUNG 1. Thông số của vật liệu 1. Nước Là một hợp chất hóa học của oxygen và hydrogen có công thức là H2O, là một chất lỏng không màu, không mùi, không vị.
Nước là một chất quan trọng được ứng dụng nhiều trong nhiều ngành khoa học (là dung môi phân cực mạnh, có khả năng hòa tan nhiều chất) và đời sống. Một số thông số cần lưu ý: Nhiệt độ sôi ở 1 atm (760 mmHg): 100 oC Khối lượng mol: 18,015 g/mol Tỷ trọng: 998,23 kg/m3 (xét tại 20 oC, tài liệu tham khảo [2] trang 11) 1. Acetic acid Là một acid hữu cơ (acid cacboxylic). Phân tử gồm một nhóm methyl (-CH3) liên kết với nhóm carboxyl (-COOH).
Là chất lỏng, không màu, dễ cháy, có khả năng gây bỏng da nặng và tổn thương mắt. Acetic acid được ứng dụng để sản xuất các hợp chất hóa học như: monomer vinyl acetate, acetic anhydride và ester. Trong đời sống acetic acid còn được dùng để sản xuất giấm. Một số thông số cần lưu ý: Nhiệt độ sôi ở 1 atm (760 mmHg): 118 oC Khối lượng mol: 60,052 g/mol Tỷ trọng: 1048 kg/m3 (xét tại 20 oC, tài liệu tham khảo [2] trang 9) Trang |5 THÁP CHƯNG CẤT MÂM CHÓP HỆ NƯỚC – ACETIC ACID GVHD: TS.
TRẦN THỊ NHUNG 1. Cân bằng vật liệu (Tài liệu tham khảo [3] trang 148) Hỗn hợp nước – acetic acid có thành phần lỏng (x) và hơi (y) theo phần mol cấu tử nhẹ (nước) được trình bày dưới bảng sau: t 118,1 115,4 113,8 110,1 107,5 105,8 104,4 103,3 102,1 101,3 100,6 100,0 (oC) x 0 5,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 90,0 100,0 (%) y 0 9,2 16,7 30,3 42,5 53,0 62,6 71,6 79,5 86,4 93,0 100,0 (%) Bảng 1. Thành phần cân bằng lỏng hơi hệ nước – acetic acid 100 90 80 70 60 y (%) 50 40 30 20 10 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 x (%) Hình 1. Đồ thị cân bằng lỏng hơi hệ nước – acetic acid Trang |6 THÁP CHƯNG CẤT MÂM CHÓP HỆ NƯỚC – ACETIC ACID GVHD: TS.
TRẦN THỊ NHUNG 1. Thuyết minh quy trình chưng cất nước – acetic acid Hỗn hợp nước – acetic acid có nồng độ nước là 15% (theo phần mol), nhiệt độ ban đầu ở bồn chứa vào khoảng 25oC được bơm lên bồn cao vị. Sau đó từ bồn cao vị hỗn hợp được dẫn vào thiết bị gia nhiệt nhập liệu để đun sôi đến nhiệt độ cần thiết tiếp đó sẽ dẫn hỗn hợp sau gia nhiệt vào tháp chưng cất tại vị trí mâm nhập liệu. Trên mâm nhập liệu, hỗn hợp lỏng được trộn với phần lỏng từ phần cất chảy xuống.
Trong tháp chất lỏng từ trên xuống gặp hơi đi từ dưới lên. Lúc này sẽ xảy ra sự trao đổi giữa hai pha với nhau. Pha lỏng chuyển động trong phần chưng càng xuống dưới nhiệt độ càng tăng dẫn đến nồng độ cấu tử dễ bay hơi (nước) càng giảm. Ngược lại, càng lên trên nhiệt độ càng giảm, nên hơi đi qua các đĩa từ dưới lên thì cấu tử nhiệt độ sôi cao hơn (acetic acid) sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng ở đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp (hơi) có cấu tử nước chiếm phần lớn (95% theo phần mol).
Hơi này sẽ được dẫn vào thiết bị ngưng tụ và được ngưng tụ hoàn toàn. Hỗn hợp lỏng từ thiết bị ngưng tụ đi qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh, hỗn hợp lỏng được làm nguội xuống 35oC và đưa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh. Phần còn lại của hỗn hợp lỏng được hoàn lưu về tháp ở đĩa trên cùng với chỉ số hoàn lưu thích hợp. Ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp (lỏng) chủ yếu là cấu tử khó bay hơi (acetic acid) có nồng độ là 98% (theo phần mol).
Hỗn hợp lỏng ở đáy sẽ được dẫn vào thiết bị đun. Tại đây một phần hỗn hợp sẽ được đun hóa hơi và hoàn lưu lại vào tháp, phần còn lại được dẫn vào thiết bị làm nguội, làm nguội đến 35oC và dẫn vào bồn chứa sản phấm đáy. Trang |7 THÁP CHƯNG CẤT MÂM CHÓP HỆ NƯỚC – ACETIC ACID GVHD: TS. TRẦN THỊ NHUNG 1.
Sơ đồ tính toán Tính cân bằng năng lượng Tính toán tỷ số hoàn lưu Tính số mâm lý thuyết Tính toán thiết bị phụ Tính số mâm thực tế 1. Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh Tính toán đường kính tháp 2. Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 3. Thiết bị gia nhiệt nhập liệu Tính toán chóp 4.
Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy 5. Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy Tính toán ống chảy chuyền 6. Bồn cao vị Tính tổng trở lực toàn tháp 7. Bơm Tính toán bề dày tháp Tính cân bằng nhiệt lượng Tính toán đáy và nắp tháp Tính toán lớp cách nhiệt Tính toán các ống dẫn Tính toán tai treo và chân đỡ 1.
Ống dẫn vào thiết bị ngưng tụ 2. Ống dẫn dòng nhập liệu 3. Ống dẫn dòng sản phẩm đáy 4. Ống dẫn hoàn lưu đỉnh và đáy Trang |8 THÁP CHƯNG CẤT MÂM CHÓP HỆ NƯỚC – ACETIC ACID GVHD: TS.
TRẦN THỊ NHUNG CHƯƠNG 2. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT 2.Dữ liệu ban đầu Năng suất nhập liệu GF = 2000 kg/h Nồng độ nhập liệu (tính theo nước) xF = 0,15 (mol nước/mol hỗn hợp) Nồng độ sản phẩm đỉnh (tính theo nước) xD = 0,95 (mol nước/mol hỗn hợp) Nồng độ sản phẩm đáy (tính theo nước) xW = 0,02 (mol nước/mol hỗn hợp) Chọn: Nhiệt độ nhập liệu t’F = 25 oC Trạng thái nhập liệu lỏng sôi Ký hiệu: F – suất lượng nhập liệu (kmol/h) xF – phần mol nhập liệu (mol nước/mol hỗn hợp) D – suất lượng sản phẩm đỉnh (kmol/h) xD – phần mol đỉnh (mol nước/mol hỗn hợp) W – suất lượng sản phẩm đáy (kmol/h) xW – phần mol đáy (mol nước/mol hỗn hợp) 2. Cân bằng vật chất (Tài liệu tham khảo [3] trang 144) Bảo toàn vật chất toàn tháp F = D + W (1) Bảo toàn đối với cấu tử dễ bay hơi (nước) F.xW (2) Trang |9 THÁP CHƯNG CẤT MÂM CHÓP HỆ NƯỚC – ACETIC ACID GVHD: TS. TRẦN THỊ NHUNG Khối lượng mol trung bình của dòng nhập liệu Mtb = Mn.(1 – 0,15) = 53,746 (kg/kmol) Suất lượng mol nhập liệu 𝐺𝐹 2000 F= = = 37,212 (kmol/h) 𝑀𝑡𝑏 53,746 Thay số liệu vào (1),(2) ta được hệ phương trình D + W = 37,212 0,95D + 0,02W = 37,212.