Thiết Kế Tháp Chưng Cất (Tháp Đệm) Cho Hệ Acetone – Acid Acetic Năng Suất Nhập Liệu 3000 KG/H

Đồ án nghiên cứu môn học quá trình thiết bị spkt, thiết kế chi tiết, tính toán kỹ thuật theo tiêu chuẩn, đánh giá tính khả thi dự án.

• Tác giả: Trần Duy Khoa
• Người hướng dẫn: TS. Lý Tấn Nhiệm
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. HCM
• Chuyên ngành: Công Nghệ Hóa Học
• Đề tài: Thiết Kế Tháp Chưng Cất Acetone – Acid Acetic Năng Suất 3000 KG/H
• Loại tài liệu: Đồ Án Môn Học
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• MỤC LỤC
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Cơ sở lý thuyết về chưng cất
• 1.1.1. Khái niệm
• 1.1.2. Các phương pháp chưng cất
• 1.2. Các loại thiết bị chưng cất
• 1.3. Tổng quan về hệ acetone – acid acetic
• 1.4. Cân bằng lỏng hơi của hệ acetone – acid acetic
• 2. CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
• 2.1. Quy trình công nghệ chưng cất acetone – acid acetic
• 2.2. Thuyết minh quy trình công nghệ
• 3. CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT
• 3.1. Các thông số ban đầu
• 3.2. Cân bằng vật chất
• 3.3. Xác định chỉ số hồi lưu
• 3.4. Phương trình đường làm việc và số mâm lý thuyết
• 3.5. Phương trình làm việc của đoạn cất
• 3.6. Phương trình làm việc của đoạn chưng
• 3.7. Xác định số mâm lý thuyết
• 3.8. Xác định số mâm thực tế
• 4. CHƯƠNG 4: CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
• 4.1. Cân bằng nhiệt lượng cho toàn tháp chưng cất
• 4.2. Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào tháp
• 4.3. Nhiệt lượng do hơi đốt của sản phẩm đáy mang vào tháp
• 4.4. Nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào
• 4.5. Nhiệt lượng do hơi mang ra tại đỉnh tháp
• 4.6. Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra
• 4.7. Nhiệt lương tổn thất ra môi trường xung quanh
• 4.8. Lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi dung dịch ở đáy tháp
• 4.9. Cân bằng nhiệt lượng tại nồi đun
• 4.10. Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp
• 4.11. Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang vào tháp
• 4.12. Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra
• 4.13. Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra
• 4.14. Nhiệt lương tổn thất ra môi trường xung quanh
• 4.15. Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra
• 4.16. Lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi dung dịch ở đáy tháp
• 4.17. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun sôi hỗn hợp đầu
• 4.18. Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp
• 4.19. Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào tháp
• 4.20. Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra
• 4.21. Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra
• 4.22. Nhiệt lương tổn thất ra môi trường xung quanh
• 4.23. Lượng hơi đốt cần thiết để đun nóng dung dịch đầu đến nhiệt độ sôi
• 4.24. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ
• 4.25. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh
• 4.26. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm nguội sản phẩm đáy
• 5. CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH
• 5.1. Đường kính tháp chưng cất
• 5.2. Đường kính đoạn cất
• 5.3. Lượng hơi trung bình đi trong đoạn cất
• 5.4. Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp ở đoạn cất
• 5.5. Đường kính đoạn chưng
• 5.6. Lượng hơi trung bình đi trong tháp ở đoạn chưng
• 5.7. Tốc độ đi hơi trung bình đi trong tháp ở đoạn chưng
• 5.8. Chiều cao tháp
• 5.9. Chiều cao của một đơn vị chuyển khối
• 5.10. Xác định chỉ số Re
• 5.11. Xác định chỉ số khuếch tán
• 5.12. Xác định chỉ số Prand
• 5.13. Xác định hệ số thấm ướt
• 5.14. Đoạn chưng
• 5.15. Số đơn vị chuyển khối
• 5.16. Đoạn chưng
• 5.17. Xác định chiều cao của tháp
• 5.18. Đoạn chưng
• 5.19. Chiều cao của toàn tháp
• 5.20. Trở lực của tháp
• 5.21. Trở lực đoạn chưng
• 5.22. Trở lực đoạn cất
• 6. CHƯƠNG 6: TÍNH TOÁN CƠ KHÍ VÀ LỰA CHỌN
• 6.1. Tính bề dày thân tháp
• 6.2. Tính bề dày đáy tháp và nắp thiết bị
• 6.3. Tính đường kính ống dẫn
• 6.4. Đường kính ống dẫn sản phẩm đỉnh
• 6.5. Đường kính ống dẫn hơi đỉnh tháp
• 6.6. Đường kính ống dẫn hồi lưu sản phẩm đỉnh
• 6.7. Đường kính ống dẫn hỗn hợp đầu
• 6.8. Đường kính ống dẫn sản phẩm đáy
• 6.9. Đường kính ống dẫn sản phẩm đáy
• 6.10. Đường kính ống dẫn hơi hồi lưu sản phẩm đáy
• 6.11. Bích ghép thân, đáy và nắp
• 6.12. Bích nối các bộ phận của thiết bị và ống dẫn
• 6.13. Kích thước chiều dài ống nối
• 6.14. Lưới đỡ đệm, dầm đỡ đệm
• 6.15. Trọng lượng của toàn tháp
• 7. CHƯƠNG 7: TÍNH TOÁN VÀ CHỌN THIẾT BỊ PHỤ
• 7.1. Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh
• 7.2. Suất lượng nước làm lạnh cần dùng
• 7.3. Xác định bề mặt truyền nhiệt
• 7.4. Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh
• 7.5. Suất lượng nước cần dùng để làm nguội sản phẩm đỉnh
• 7.6. Xác định bề mặt truyền nhiệt
• 7.7. Thiết bị gia nhiệt nhập liệu
• 7.8. Suất lượng hơi nước cần dùng
• 7.9. Xác định bề mặt truyền nhiệt
• 7.10. Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy
• 7.11. Suất lượng nước cần dùng để làm nguội sản phẩm đáy
• 7.12. Xác định bề mặt truyền nhiệt
• 7.13. Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy
• 7.14. Suất lượng hơi nước cần dùng
• 7.15. Xác định bề mặt truyền nhiệt
• 7.16. Bồn cao vị và bơm nhập liệu
• 7.17. Bồn cao vị
• 7.18. Đoạn ống dẫn từ bồn chứa đến bồn cao vị
• 7.19. Đoạn ống dẫn đoạn qua thiết bị đun sôi nhập liệu
• 7.20. Chiều cao bồn cao vị
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC HÌNH
• DANH MỤC BẢNG
• LỜI MỞ ĐẦU

Tóm tắt

I. Tổng quan về thiết kế tháp chưng cất acetone acid acetic

Thiết kế tháp chưng cất cho hệ acetone – acid acetic là một quá trình quan trọng trong ngành công nghiệp hóa chất. Tháp chưng cất giúp tách các cấu tử dựa trên sự khác biệt về nhiệt độ bay hơi. Hệ acetone và acid acetic có tính chất hóa lý đặc trưng, đòi hỏi quy trình thiết kế phải được thực hiện một cách chính xác để đảm bảo hiệu suất tối ưu.

1.1. Khái niệm về tháp chưng cất

Tháp chưng cất là thiết bị dùng để tách các hỗn hợp chất lỏng thành các cấu tử riêng biệt. Quá trình này dựa vào sự khác biệt về độ bay hơi của các cấu tử trong hỗn hợp.

1.2. Tính chất của hệ acetone acid acetic

Hệ acetone – acid acetic có nhiều ứng dụng trong công nghiệp. Acetone là dung môi phổ biến, trong khi acid acetic được sử dụng rộng rãi trong sản xuất thực phẩm và hóa chất.

II. Vấn đề và thách thức trong thiết kế tháp chưng cất

Thiết kế tháp chưng cất cho hệ acetone – acid acetic gặp nhiều thách thức. Các yếu tố như nhiệt độ, áp suất và thành phần hỗn hợp ảnh hưởng đến hiệu suất chưng cất. Việc tối ưu hóa các thông số này là rất cần thiết để đạt được năng suất cao.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất chưng cất

Nhiệt độ và áp suất làm việc là hai yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất chưng cất. Cần phải tính toán chính xác để đảm bảo quá trình diễn ra hiệu quả.

2.2. Thách thức trong việc tối ưu hóa quy trình

Việc tối ưu hóa quy trình chưng cất đòi hỏi phải cân nhắc giữa chi phí và hiệu suất. Các thiết bị cần được thiết kế sao cho tiết kiệm năng lượng và nguyên liệu.

III. Phương pháp thiết kế tháp chưng cất hiệu quả

Để thiết kế tháp chưng cất acetone – acid acetic hiệu quả, cần áp dụng các phương pháp tính toán chính xác. Các bước như cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng và xác định số mâm lý thuyết là rất quan trọng.

3.1. Cân bằng vật chất trong thiết kế

Cân bằng vật chất giúp xác định lượng nguyên liệu cần thiết cho quá trình chưng cất. Điều này đảm bảo rằng sản phẩm thu được đạt yêu cầu về nồng độ.

3.2. Cân bằng năng lượng trong tháp chưng cất

Cân bằng năng lượng giúp tính toán lượng nhiệt cần thiết để duy trì quá trình chưng cất. Việc này giúp tối ưu hóa tiêu thụ năng lượng trong hệ thống.

IV. Ứng dụng thực tiễn của tháp chưng cất acetone acid acetic

Tháp chưng cất acetone – acid acetic có nhiều ứng dụng trong ngành công nghiệp hóa chất. Sản phẩm thu được từ quá trình chưng cất có thể được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ sản xuất hóa chất đến thực phẩm.

4.1. Ứng dụng trong ngành hóa chất

Acetone và acid acetic là nguyên liệu quan trọng trong sản xuất hóa chất. Chúng được sử dụng để sản xuất nhiều sản phẩm khác nhau, từ dung môi đến chất kết dính.

4.2. Ứng dụng trong sản xuất thực phẩm

Acid acetic được sử dụng rộng rãi trong ngành thực phẩm như một chất bảo quản và tạo hương vị. Việc chưng cất giúp thu được sản phẩm có độ tinh khiết cao.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của tháp chưng cất

Thiết kế tháp chưng cất acetone – acid acetic không chỉ đáp ứng nhu cầu hiện tại mà còn mở ra nhiều cơ hội trong tương lai. Với sự phát triển của công nghệ, việc tối ưu hóa quy trình chưng cất sẽ ngày càng trở nên quan trọng.

5.1. Tương lai của công nghệ chưng cất

Công nghệ chưng cất đang phát triển nhanh chóng với nhiều cải tiến về hiệu suất và tiết kiệm năng lượng. Điều này sẽ giúp giảm chi phí sản xuất và nâng cao chất lượng sản phẩm.

5.2. Định hướng nghiên cứu trong lĩnh vực chưng cất

Nghiên cứu về tháp chưng cất sẽ tiếp tục được đẩy mạnh, nhằm tìm ra các giải pháp mới cho các vấn đề hiện tại. Điều này sẽ góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất trong ngành công nghiệp hóa chất.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ngành công nghiệp hóa chất giữ vai trò trọng yếu trong tiến trình công nghiệp hóa và cơ cấu xuất khẩu của Việt Nam. Năm 2022, kim ngạch xuất khẩu hóa chất của Việt Nam đạt 3,09 tỷ USD với các thị trường tiêu thụ chính gồm Trung Quốc, Ấn Độ và Nhật Bản; ngành này được dự báo duy trì tốc độ tăng trưởng từ 10% đến 11% đến năm 2030, chiếm tỷ trọng khoảng 4% đến 5% toàn ngành công nghiệp. Để đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật ngày càng khắt khe về chất lượng và độ tinh khiết của hóa chất thương phẩm, việc thiết kế các hệ thống thiết bị phân tách hiệu quả—đặc biệt là thiết bị chưng cất phân tách hỗn hợp lỏng hòa tan—là yêu cầu kỹ thuật tất yếu.

Đồ án tập trung giải quyết bài toán thiết kế kỹ thuật tháp chưng cất loại đệm (tháp chêm) nhằm phân tách hệ nhị phân Acetone – Acid Acetic với năng suất nhập liệu $3000 \text{ kg/h}$. Nhiệm vụ nghiên cứu và thiết kế được phân định cụ thể qua các mục tiêu:

1. Tính toán cân bằng vật chất tổng thể và cục bộ để xác định suất lượng các dòng sản phẩm đỉnh và đáy.
2. Tính toán cân bằng nhiệt lượng nhằm xác định lượng hơi đốt và lưu lượng tác nhân lạnh tiêu tốn cho toàn hệ thống và từng thiết bị trao đổi nhiệt.
3. Xác định các thông số công nghệ và kích thước hình học chính của tháp đệm (đường kính tháp, chiều cao lớp đệm, trở lực qua tháp).
4. Tính toán thiết kế cơ khí cho tháp chính bao gồm chiều dày thân tháp, đáy, nắp, mặt bích, bu lông, ống dẫn và các chi tiết đỡ đệm, phân phối chất lỏng.
5. Tính toán, lựa chọn hệ thống thiết bị phụ trợ (thiết bị ngưng tụ, thiết bị làm nguội, thiết bị gia nhiệt nguyên liệu, nồi đun Kettle, bồn cao vị và bơm vận chuyển).
6. Lập hồ sơ bản vẽ kỹ thuật gồm Bản vẽ quy trình công nghệ khổ A1 và Bản vẽ thiết bị chính khổ A1.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Hỗn hợp hai cấu tử tan lẫn Acetone ($(CH_3)_2CO$) và Acid Acetic ($CH_3COOH$).
• Phạm vi thông số: Năng suất nhập liệu $G_F = 3000 \text{ kg/h}$, nồng độ nhập liệu theo phần mol Acetone $x_F = 0,2$ ($20%$ mol), nồng độ sản phẩm đỉnh $x_D = 0,8$ ($80%$ mol), tỷ lệ thu hồi cấu tử Acetone ở đỉnh đạt tối thiểu $95%$.
• Bối cảnh thực hiện: Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị (Mã môn học: PWPD322703), thực hiện tại Khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, hoàn thành vào tháng 5 năm 2024.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và tính chất hóa lý

Quá trình chưng cất dựa trên nguyên lý chuyển khối giữa hai pha lỏng - hơi tiếp xúc trực tiếp, khai thác sự sai khác về độ bay hơi tương đối giữa các cấu tử trong hỗn hợp ở cùng điều kiện nhiệt độ và áp suất làm việc ($P = 1 \text{ at}$). Hệ Acetone – Acid Acetic có sự chênh lệch đáng kể về điểm sôi:

Thông số hóa lý cơ bản	Acetone ($(CH_3)_2CO$)	Acid Acetic ($CH_3COOH$)
Khối lượng phân tử ($M$)	$58,080 \text{ g/mol}$	$60,052 \text{ g/mol}$
Nhiệt độ sôi ở áp suất $1 \text{ at}$	$56,0^\circ\text{C}$	$118,1^\circ\text{C}$
Khối lượng riêng tại $20^\circ\text{C}$ ($\rho_{20}$)	$791 \text{ kg/m}^3$	$1048 \text{ kg/m}^3$
Tính chất đặc trưng	Dễ cháy, bay hơi nhanh, tan vô hạn trong nước	Acid yếu ($K_{25^\circ\text{C}} = 1,75 \cdot 10^{-5}$), mùi sốc, tan vô hạn

Dữ liệu cân bằng pha lỏng – hơi của hệ Acetone – Acid Acetic ở áp suất khí quyển được tra cứu và biểu diễn qua hàm tương quan nhiệt độ sôi ($T$) cùng thành phần pha lỏng ($x$) và pha hơi ($y$), trải dài từ $56^\circ\text{C}$ (Acetone nguyên chất) đến $118,1^\circ\text{C}$ (Acid Acetic nguyên chất).

Phương pháp tính toán và nguồn dữ liệu

Phương pháp nghiên cứu thuộc loại hình tính toán thiết kế kỹ thuật quá trình hóa học, kết hợp các phương pháp cụ thể:

• Phương pháp giải tích và đồ thị: Xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu ($R_{min}$) và chỉ số hồi lưu thích hợp ($R$) qua đồ thị cân bằng lỏng - hơi $y - x$; xây dựng phương trình đường làm việc của đoạn cất và đoạn chưng để xác định số mâm lý thuyết theo phương pháp bậc thang McCabe-Thiele.
• Phương pháp thực nghiệm quy đổi: Xác định hiệu suất tách trung bình ($\eta_{TB}$) thông qua mối tương quan giữa độ bay hơi tương đối ($\alpha$) và độ nhớt động lực học ($\mu$) của hỗn hợp tại các vị trí mâm đỉnh, mâm nạp liệu và mâm đáy nhằm xác định số mâm thực tế và chiều cao lớp đệm tương đương.
• Phương pháp cân bằng vật chất và năng lượng: Thiết lập hệ phương trình bảo toàn khối lượng và nhiệt lượng cho toàn hệ thống cũng như từng cụm thiết bị trao đổi nhiệt, có tính đến hệ số tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh ($5%$).
• Phương pháp tính toán cơ khí theo tiêu chuẩn: Áp dụng công thức chuẩn về sức bền vật liệu, tính toán chiều dày thành thiết bị chịu áp lực, kiểm tra ứng suất bền, chọn kích thước bích ghép, đáy và nắp elip tiêu chuẩn theo Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất (Tập 1 và Tập 2).

---

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống chưng cất tháp đệm liên tục cho hệ Acetone – Acid Acetic bao gồm các cụm thiết bị công nghệ chính và phụ trợ được phối hợp vận hành theo sơ đồ công nghệ:

Ký hiệu	Tên thiết bị trong quy trình	Chức năng công nghệ
1	Bồn chứa nhập liệu	Tích trữ dung dịch nguyên liệu ban đầu ở $25^\circ\text{C}$
2	Bồn cao vị	Duy trì áp lực thủy tĩnh ổn định cấp dòng vào tháp
3	Bồn chứa sản phẩm đáy	Tích trữ sản phẩm đáy (Acid Acetic nồng độ cao)
4	Bồn chứa sản phẩm đỉnh	Tích trữ sản phẩm đỉnh (Acetone nồng độ $80%$ mol)
5	Bơm nạp liệu	Vận chuyển nguyên liệu từ bồn chứa lên bồn cao vị
6	Bơm dòng hồi lưu	Vận chuyển một phần chất lỏng ngưng tụ hồi lưu đỉnh tháp
7	Thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu	Gia nhiệt dòng nhập liệu từ $25^\circ\text{C}$ đến nhiệt độ sôi $93,1^\circ\text{C}$ bằng hơi nước ($2 \text{ at}$)
8	Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh	Ngưng tụ hoàn toàn dòng hơi đỉnh tháp ở $62,6^\circ\text{C}$
9	Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh	Hạ nhiệt độ sản phẩm đỉnh từ $62,6^\circ\text{C}$ xuống $40^\circ\text{C}$
10	Nồi đun Kettle đáy tháp	Cung cấp nhiệt đun sôi và tái bốc hơi đáy tháp bằng hơi nước ($2 \text{ at}$)
11	Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy	Hạ nhiệt độ dòng sản phẩm đáy từ $116,48^\circ\text{C}$ xuống $45^\circ\text{C}$
12	Tháp chưng cất tháp đệm	Thiết bị tiếp xúc pha chính thực hiện quá trình truyền khối cất - chưng

Hệ thống được thiết kế kèm các vòng điều khiển tự động gồm: bộ điều chỉnh nhiệt độ (TT, TC) tại các thiết bị trao đổi nhiệt và bộ đo/điều chỉnh lưu lượng (FT, FC) nhằm duy trì ổn định lưu lượng nạp liệu và tỷ số hồi lưu đỉnh.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết của quá trình chưng cất hai cấu tử, phân loại các phương pháp chưng cất (theo áp suất làm việc, nguyên lý cấp nhiệt và phương pháp chưng cất trực tiếp/chân không). Tác giả so sánh chi tiết ưu nhược điểm kỹ thuật giữa ba dạng thiết bị tiếp xúc pha phổ biến:

• Tháp đệm: Cấu tạo đơn giản, trở lực thấp, xử lý tốt chất lỏng có cặn bẩn nếu chọn đệm thích hợp; tuy nhiên hiệu ứng thành làm giảm hiệu suất truyền khối ở đường kính lớn và khó bố trí làm lạnh trung gian.
• Tháp mâm xuyên lỗ: Hiệu suất tách tương đối cao, trở lực thấp hơn tháp chóp, song chế độ vận hành nhạy cảm với sự dao động lưu lượng và đòi hỏi lắp đặt đĩa phẳng khắt khe.
• Tháp mâm chóp: Vận hành ổn định ở dải công suất rộng, hiệu suất tiếp xúc pha cao nhưng kết cấu phức tạp, tiêu tốn kim loại và trở lực thủy lực rất lớn.

Chương này cũng tổng hợp bảng số liệu cân bằng pha lỏng – hơi thực nghiệm của hệ Acetone – Acid Acetic ở áp suất $1 \text{ at}$, thiết lập các giản đồ $y - x$ và giản đồ nhiệt độ $T - xy$ làm cơ sở cho toàn bộ các chương tính toán tiếp theo.

Chương 2: Quy trình công nghệ

Chương này trình bày sơ đồ công nghệ tổng thể và thuyết minh chi tiết chu trình vận hành. Hỗn hợp nguyên liệu ($x_F = 0,2$) từ bồn chứa (1) ở $25^\circ\text{C}$ được bơm (5) đưa lên bồn cao vị (2), sau đó chảy qua thiết bị trao đổi nhiệt gia nhiệt nhập liệu (7) để nâng nhiệt độ đến trạng thái lỏng sôi tại $t_F = 93,1^\circ\text{C}$ trước khi cấp vào đĩa nạp liệu của tháp đệm (12).

Trong thân tháp, pha hơi đi từ dưới lên tiếp xúc ngược dòng với pha lỏng chảy tràn qua bề mặt đệm từ trên xuống. Dòng hơi đỉnh ($x_D = 0,8$) tại $62,6^\circ\text{C}$ đi vào thiết bị ngưng tụ (8); một phần ngưng tụ được bơm hồi lưu (6) đưa ngược lại đỉnh tháp với chỉ số hồi lưu $R = 1,2282$, phần còn lại được làm nguội tiếp tại thiết bị (9) về $40^\circ\text{C}$ và đưa về bồn chứa sản phẩm đỉnh (4). Chất lỏng đáy tháp ($x_W = 0,01$) tại $116,48^\circ\text{C}$ đi vào nồi đun Kettle (10); phần hơi bốc lên quay trở lại đáy tháp cấp nhiệt, phần lỏng còn lại được làm nguội qua thiết bị (11) về $45^\circ\text{C}$ rồi đưa vào bồn chứa sản phẩm đáy (3).

Chương 3: Cân bằng vật chất

Chương 3 giải quyết bài toán cân bằng khối lượng và xác định số bậc truyền khối:

• Khối lượng mol trung bình của hỗn hợp nạp liệu: $M_{tbF} = 59,6576 \text{ kg/kmol}$.
• Suất lượng mol nhập liệu: $F = 50,287 \text{ kmol/h}$ (tương ứng $G_F = 3000 \text{ kg/h}$).
• Suất lượng sản phẩm đỉnh: $G_D = 706,96 \text{ kg/h}$ ($D = 12,09 \text{ kmol/h}$); nồng độ acetone đáy đạt $x_W = 0,01$ ($1%$ mol).
• Suất lượng sản phẩm đáy: $G_W = 2293,04 \text{ kg/h}$ ($W = 38,197 \text{ kmol/h}$).
• Chỉ số hồi lưu tối thiểu: $R_{min} = \frac{x_D - y_F^}{y_F^ - x_F} = \frac{0,8 - 0,55}{0,55 - 0,2} = 0,714$.
• Chỉ số hồi lưu làm việc thích hợp: $R = 1,3 R_{min} + 0,3 = 1,2282$ (tương đương $R = 1,72 R_{min}$, nằm trong khoảng tối ưu $1,2 \div 2,5 R_{min}$).
• Phương trình đường làm việc đoạn cất: $y = 0,551x + 0,36$.
• Phương trình đường làm việc đoạn chưng: $y = 1,314x - 0,0031$ (tương đương dạng biểu diễn $x(y)$ trong văn bản).
• Số mâm lý thuyết xác định qua đồ thị McCabe-Thiele: $N_{lt} = 10$ mâm (gồm 2 mâm cất, 7 mâm chưng và 1 mâm nạp liệu).
• Hiệu suất trung bình của tháp: $\eta_{TB} = \frac{\eta_F + \eta_D + \eta_W}{3} = \frac{0,418 + 0,3178 + 0,4625}{3} = 0,40$.
• Số mâm thực tế quy đổi: $N_t = \frac{N_{lt}}{\eta_{TB}} = 25$ mâm (đoạn cất: 5 mâm, đoạn chưng: 20 mâm, nạp liệu tại vị trí mâm số 6).

Chương 4: Cân bằng năng lượng

Chương 4 tính toán chi tiết cân bằng nhiệt lượng cho toàn hệ thống và từng thiết bị trao đổi nhiệt (sử dụng hơi nước bão hòa ở $P = 2 \text{ at}$, $T_s = 119,62^\circ\text{C}$, ẩn nhiệt hóa hơi $r = 2208 \text{ kJ/kg}$):

Thiết bị / Vị trí	Dòng năng lượng	Giá trị tính toán
Toàn tháp chưng cất	Nhiệt do dòng nhập liệu mang vào ($Q_F$)	$668.906,74 \text{ kJ/h}$
	Nhiệt do hơi đốt đáy tháp cấp vào ($Q_h$)	$1.610.998,35 \text{ kJ/h}$
	Nhiệt do dòng lỏng hồi lưu đỉnh mang vào ($Q_R$)	$124.719,07 \text{ kJ/h}$
	Nhiệt do hơi đỉnh mang ra ($Q_y$)	$1.012.704,40 \text{ kJ/h}$
	Nhiệt do sản phẩm đáy mang ra ($Q_{W'}$)	$1.345.021,62 \text{ kJ/h}$
	Nhiệt tổn thất ra môi trường ($Q_{xq}$)	$46.899,17 \text{ kJ/h}$
Nồi đun Kettle đáy tháp	Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào ($Q_{D2}$)	$1.211.105,17 \text{ kJ/h}$
	Lượng hơi đốt cần cấp đáy ($D_2$)	$445,95 \text{ kg/h}$
	Lượng nhiệt do nước ngưng mang ra ($Q_{ng2}$)	$226.447,57 \text{ kJ/h}$
Thiết bị gia nhiệt nhập liệu	Nhiệt do hơi đốt mang vào ($Q_{D1}$)	$663.249,48 \text{ kJ/h}$
	Lượng hơi đốt gia nhiệt nhập liệu ($D_1$)	$244,22 \text{ kg/h}$
	Nhiệt lượng hỗn hợp nhận để đạt $93,1^\circ\text{C}$	$666.409,80 \text{ kJ/h}$
Thiết bị ngưng tụ đỉnh	Nhiệt lượng tỏa ra khi ngưng tụ hoàn toàn	$786.411,19 \text{ kJ/h}$
	Lưu lượng nước lạnh cần dùng ($30^\circ\text{C} \rightarrow 40^\circ\text{C}$)	$18.831,69 \text{ kg/h}$

Chương 5: Tính toán thiết bị chính

Chương này xác định các kích thước công nghệ cốt lõi của tháp đệm:

• Tính toán vận tốc hơi trung bình và lượng hơi trung bình đi qua đoạn cất và đoạn chưng.
• Xác định đường kính tháp cho đoạn cất và đoạn chưng dựa trên vận tốc hơi làm việc tối ưu tránh hiện tượng ngập lụt đệm (flooding).
• Tính toán chiều cao lớp đệm qua số đơn vị chuyển khối ($NTU$) và chiều cao một đơn vị chuyển khối ($HTU$) thông qua các chuẩn số thủy động lực học và khuếch tán: Chuẩn số Reynolds ($Re$), Chuẩn số Prandtl ($Pr$), hệ số thấm ướt bề mặt đệm.
• Tính toán tổng trở lực thủy lực của lớp đệm khô và lớp đệm ướt khi chất lỏng chảy màng ngược dòng với pha hơi ở cả hai đoạn cất và chưng.

Chương 6: Tính toán cơ khí và lựa chọn

Chương 6 chuyển giao từ thông số công nghệ sang kết cấu cơ khí chi tiết:

• Tính chiều dày thân tháp hình trụ chịu áp suất làm việc và áp suất thử thủy tĩnh.
• Thiết kế đáy và nắp thiết bị dạng elip có gờ tiêu chuẩn chịu áp lực.
• Tính toán đường kính các ống nhánh công nghệ: ống dẫn hơi đỉnh, ống dẫn dòng hồi lưu, ống nhập liệu, ống tháo sản phẩm đáy, ống dẫn hơi hồi lưu đáy tháp.
• Lựa chọn bích liền có gờ ghép nối giữa thân - đáy - nắp và bích nối các đoạn ống dẫn theo tiêu chuẩn ngành; xác định kích thước, số lượng và cấp bền của bu lông liên kết.
• Thiết kế kết cấu chi tiết bên trong: đĩa phân phối chất lỏng loại 1, lưới đỡ đệm loại 1 và dầm đỡ chịu tải trọng lớp đệm và chất lỏng công nghệ; tính tổng trọng lượng làm việc của tháp.

Chương 7: Tính toán và chọn thiết bị phụ

Chương 7 tính toán diện tích truyền nhiệt và chọn bơm/bồn:

• Tính toán bề mặt truyền nhiệt ($F$) và hệ số truyền nhiệt tổng quát ($K$) cho 5 thiết bị trao đổi nhiệt: Thiết bị ngưng tụ đỉnh, Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh, Thiết bị gia nhiệt nạp liệu, Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy và Nồi đun Kettle đáy tháp.
• Tính toán trở lực thủy lực đường ống từ bồn chứa nguyên liệu lên bồn cao vị và đoạn qua thiết bị gia nhiệt nạp liệu.
• Xác định chiều cao hình học cần thiết của bồn cao vị để đảm bảo áp đầu hút tự chảy ổn định vào mâm nạp liệu; tính toán công suất và chọn bơm ly tâm nạp liệu.

---

Kết quả tính toán thiết kế và thông số kỹ thuật

Hồ sơ tính toán của đồ án xác lập các kết quả thiết kế định lượng hoàn chỉnh cho hệ thống chưng cất đệm hệ Acetone – Acid Acetic:

Hạng mục thông số	Đại lượng tính toán	Giá trị kỹ thuật	Đơn vị
Thông số công nghệ	Năng suất nạp liệu ($G_F$)	$3000$	$\text{kg/h}$
	Suất lượng sản phẩm đỉnh ($G_D$)	$706,96$	$\text{kg/h}$
	Suất lượng sản phẩm đáy ($G_W$)	$2293,04$	$\text{kg/h}$
	Nồng độ Acetone dòng đỉnh ($x_D$)	$80$	$%$ mol
	Nồng độ Acetone dòng đáy ($x_W$)	$1$	$%$ mol
	Tỷ lệ thu hồi cấu tử Acetone	$\ge 95$	$%$
	Chỉ số hồi lưu làm việc ($R$)	$1,2282$	—
	Số bậc thay đổi nồng độ lý thuyết	$10$	mâm
	Số bậc thay đổi nồng độ thực tế	$25$	mâm (5 cất, 20 chưng)
Tiêu hao năng lượng	Tiêu hao hơi đốt nồi đun đáy ($D_2$)	$445,95$	$\text{kg/h}$ (hơi $2 \text{ at}$)
	Tiêu hao hơi đốt gia nhiệt nạp liệu ($D_1$)	$244,22$	$\text{kg/h}$ (hơi $2 \text{ at}$)
	Lượng nước làm mát ngưng tụ đỉnh	$18.831,69$	$\text{kg/h}$

Đóng góp kỹ thuật chính của đồ án là đã hoàn thiện một bộ hồ sơ tính toán thiết kế chi tiết từ lý thuyết nhiệt động cân bằng pha lỏng - hơi, cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng đến kết cấu cơ khí chính xác và lựa chọn thiết bị phụ trợ đồng bộ, tạo tiền đề kỹ thuật rõ ràng cho việc gia công, chế tạo tháp chưng cất đệm trong thực tế.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

• Hạn chế: Các tính toán công nghệ trong đồ án được thực hiện trên mô hình trạng thái tĩnh ở điều kiện vận hành định mức, chưa đánh giá động học quá trình khi có sự dao động đột ngột về lưu lượng hoặc nồng độ nhập liệu; các hệ số truyền khối và trở lực phụ thuộc vào các công thức thực nghiệm tiêu chuẩn trong sổ tay tra cứu tĩnh; chưa triển khai mô phỏng kiểm chứng trường thủy động lực học 3D bằng phần mềm chuyên dụng.
• Hướng mở rộng:
  1. Ứng dụng các phần mềm mô phỏng quá trình hóa học (như Aspen Plus, ChemCAD hoặc HYSYS) để tối ưu hóa đa mục tiêu giữa chỉ số hồi lưu và chi phí thiết bị/năng lượng (CAPEX/OPEX).
  2. Tính toán chi tiết hệ thống điều khiển tự động vòng kín (PID control loop) cho các thông số áp suất đỉnh, nhiệt độ đáy và mức chất lỏng nồi đun.

---

Giá trị tham khảo

Tài liệu là nguồn tham khảo kỹ thuật trực tiếp cho:

• Sinh viên các ngành Kỹ thuật Hóa học, Công nghệ Hóa học, Công nghệ Thực phẩm và Kỹ thuật Môi trường đang thực hiện đồ án môn học Quá trình và Thiết bị (Máy và Thiết bị Hóa chất) hoặc đồ án tốt nghiệp chuyên ngành về thiết bị truyền khối.
• Kỹ sư thiết kế quá trình hóa công cần quy trình từng bước tính toán cân bằng năng lượng từng nút thiết bị trao đổi nhiệt, phương pháp quy đổi số đĩa lý thuyết sang chiều cao đệm thực tế và các bước tra cứu tính chất hóa lý hỗn hợp dung môi hữu cơ.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Nồng độ nhập liệu và các dòng sản phẩm của hệ chưng cất được xác định như thế nào trong đồ án? Hỗn hợp nạp liệu Acetone – Acid Acetic có nồng độ mol Acetone $x_F = 0,2$ ($20%$ mol), tương ứng khối lượng mol trung bình dòng nhập liệu là $59,6576 \text{ kg/kmol}$. Nồng độ sản phẩm đỉnh thu hồi Acetone đạt $x_D = 0,8$ ($80%$ mol) với tỷ lệ thu hồi trên $95%$; nồng độ dòng đáy chủ yếu là Acid Acetic với lượng Acetone chỉ còn $x_W = 0,01$ ($1%$ mol).

2. Chỉ số hồi lưu tối thiểu và chỉ số hồi lưu thích hợp được xác định bằng bao nhiêu? Từ điểm cân bằng pha $y_F^* = 0,55$ ứng với $x_F = 0,2$ trên đồ thị cân bằng lỏng - hơi, chỉ số hồi lưu tối thiểu được xác định là $R_{min} = 0,714$. Chỉ số hồi lưu làm việc được tính theo công thức kinh nghiệm $R = 1,3 R_{min} + 0,3 = 1,2282$ (tương đương $1,72 R_{min}$), đáp ứng điều kiện vận hành tối ưu trong khoảng $(1,2 \div 2,5) R_{min}$.

3. Tháp chưng cất cần bao nhiêu bậc lý thuyết và số mâm thực tế quy đổi là bao nhiêu? Phương pháp McCabe-Thiele xác định tháp có $10$ mâm lý thuyết (gồm 2 mâm cất, 7 mâm chưng và 1 mâm nạp liệu). Với hiệu suất trung bình tính toán $\eta_{TB} = 0,40$ (xác định qua độ nhớt và độ bay hơi tương đối tại ba vị trí đỉnh, nạp liệu và đáy), số bậc thực tế quy đổi là $25$ mâm (gồm 5 mâm cất, 20 mâm chưng, dòng nhập liệu cấp vào vị trí mâm số 6).

4. Lượng hơi đốt và nước làm mát tiêu tốn cho toàn hệ thống là bao nhiêu? Toàn hệ thống sử dụng hơi nước bão hòa ở áp suất $2 \text{ at}$ ($T_s = 119,62^\circ\text{C}$, $r = 2208 \text{ kJ/kg}$). Nồi đun Kettle đáy tháp tiêu tốn $445,95 \text{ kg/h}$ hơi đốt; thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu tiêu tốn $244,22 \text{ kg/h}$ hơi đốt. Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh tiêu tốn $18.831,69 \text{ kg/h}$ nước làm mát (dải nhiệt độ vào $30^\circ\text{C}$, ra $40^\circ\text{C}$).

5. Kết cấu đáy, nắp và bích ghép thân thiết bị được lựa chọn theo tiêu chuẩn nào? Tháp sử dụng nắp và đáy dạng elip có gờ tiêu chuẩn chịu áp lực, thân tháp hình trụ tròn ghép nối nhiều đoạn bằng mặt bích liền có gờ và đệm làm kín. Bên trong tháp bố trí đĩa phân phối chất lỏng loại 1 và lưới đỡ đệm loại 1 cùng hệ dầm đỡ để chịu tải trọng cơ học của lớp đệm và dòng chất lỏng vận hành.

---

Kết luận

Đồ án đã hoàn thành toàn diện việc tính toán và thiết kế kỹ thuật tháp chưng cất đệm phân tách hệ nhị phân Acetone – Acid Acetic với công suất nạp liệu $3000 \text{ kg/h}$, đảm bảo nồng độ sản phẩm đỉnh đạt $80%$ mol Acetone và tỷ lệ thu hồi trên $95%$. Các kết quả cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt lượng, kích thước hình học thân tháp, kết cấu cơ khí chịu lực và hệ thống 5 thiết bị trao đổi nhiệt phụ trợ được xác lập chính xác thông qua hệ thống công thức giải tích và tiêu chuẩn hóa ngành. Đây là tài liệu thiết kế công nghệ hoàn chỉnh, thể hiện đầy đủ phương pháp luận và số liệu kỹ thuật tin cậy phục vụ học tập, nghiên cứu trong lĩnh vực Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa học.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Cơ sở lý thuyết về chưng cất 1. Khái niệm Chưng cất là phương pháp dùng để tách các hỗn hợp chất lỏng cũng như các hỗn hợp khí - lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp (cùng một nhiệt độ, áp suất hơi của các cấu tử khác nhau) bằng cách lặp đi lặp lại nhiều lần quá trình bay hơi và ngưng tụ, trong đó vật chất đi từ pha lỏng vào pha hơi và ngược lại. Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường thì bao nhiêu sẽ thu được bấy nhiêu sản phẩm.

([1], trang 167) Nếu xét hệ đơn giản chỉ có hai cấu tử thì ta thu được hai sản phẩm trong đó: Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi bé. ([1], trang 167) 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. ([1], trang 167) Đối với hệ acetone – acid acetic thì sản phẩm đỉnh chủ yếu là acetone, sản phẩm đáy chủ yếu là acid acetic. Trong quá trình chưng cất, sản phẩm thu được chưa hoàn toàn tinh khiết nên muốn thu được sản phẩm có độ tinh khiết cao hơn, người ta thường cho tiến hành chưng nhiều lần (hay chưng luyện).

Các phương pháp chưng cất Phương pháp chưng cất thường được phân loại dựa vào: - Theo áp suất làm việc: áp suất thấp, áp suất thường và áp suất cao. Nguyên tắc của phương pháp này dựa vào nhiệt độ sôi của cấu tử, nếu nhiệt độ sôi của 2 cấu tử cần chưng cất quá cao thì ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi của cấu tử đó. - Theo nguyên lý làm việc: chưng cất đơn giản, chưng cất bằng hơi nước trực tiếp và chưng cất chân không. Trong đó cấp nhiệt trực tiếp bằng hơi nước thường được áp dụng trong trường hợp cấu tử được tách không tan trong nước.

Ưu điểm của quá trình này là giảm được nhiệt độ sôi của hỗn hợp giúp ta có có thể chưng ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi bình thường. Điều này rất có lợi đối với các chất dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao cũng như là nhiệt độ sôi quá cao mà khi chưng cất đòi hỏi áp suất cao. Chưng cất chân không là phương pháp chưng cất ở áp suất thấp hơn áp suất khí quyển nhằm mục đích giảm nhiệt độ sôi của hỗn hợp để tránh tình trạng phân hủy vì nhiệt của các cấu tử chưng cất. - Theo phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp: cấp nhiệt trực tiếp và cấp nhiệt gián tiếp.

Việc lựa chọn các phương pháp chưng cất còn tùy thuộc vào tính chất hóa lý của sản phẩm. Các loại thiết bị chưng cất Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để tiến hành chưng cất, chúng đều có yêu cầu chung là bề mặt tiếp xúc pha phải lớn. Điều này phụ thuộc vào mức độ phân tán của pha này vào pha kia. Các tháp chưng cất luôn khác nhau về kích cỡ hay ứng dụng của chúng, ví dụ như các tháp chưng cất lớn thường được áp dụng trong công nghiệp hóa dầu.

Trong đó, kích thước của tháp bao gồm: đường kính, chiều cao của tháp; tùy thuộc vào suất lượng pha khí, pha lỏng và độ tinh khiết của sản phẩm. Ở đây, ta khảo sát hai loại tháp chưng thường được dùng trong sản xuất là tháp mâm và tháp chêm. - Tháp mâm: thân tháp hình trụ, dựng thẳng đứng, phía trong có gắn các mâm có cấu tạo khác nhau chia thân tháp thành các đoạn bằng nhau trên đó pha lỏng và pha hơi 3 được tiếp xúc với nhau. Tùy theo cấu tạo của mâm ta có: • Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm bố trí các lỗ có đường kính khoảng 3 - 12 mm.

• Tháp mâm chóp: trên mâm bố trí có chóp dạng tròn, xupap, chữ s, … - Tháp chêm (tháp đệm): tháp hình trụ gồm nhiều bậc nối với nhau bằng mặt bích hay hàn. Vật chêm được cho vào tháp bằng hai phương pháp xếp ngẫu nhiên hay có thứ tự. Bên trong tháp có đổ đầy đệm. Trong tháp đệm chất lỏng chảy từ trên xuống theo bề mặt đệm và khí đi từ dưới lên phân tán đều trong chất lỏng.

So sánh ưu và nhược điểm của các loại tháp: Bảng 1.1: So sánh ưu nhược điểm của các loại tháp chưng cất Tháp đệm Tháp mâm xuyên lỗ Tháp mâm chóp Ưu Cấu tạo đơn giản. Hiệu suất tương đối cao. Hiệu suất cao. điểm Trở lực thấp.

Hoạt động khá ổn định. Hoạt động ổn định. Làm việc được với chất Ít tốn kim loại và trở lực thấp Ít tiêu hao năng lỏng bẩn nếu dùng đệm hơn so với tháp chóp. lượng nên số mâm cầu có    của chất ít.

Nhược Do có hiệu ứng thành nên Trở lực khá cao. Cấu tạo phức tạp. điểm hiệu suất truyền khối thấp. Yêu cầu lắp đặt khắc khe → Trở lực lớn.

Độ ổn định không cao, lắp đĩa thật phẳng. Không làm việc khó vận hành. Không làm việc với chất lỏng với chất lỏng bẩn. Thiết bị nặng nề.

Trong đồ án này ta sẽ sử dụng tháp đệm để chưng cất hệ acetone – acid acetic. Tổng quan về hệ acetone – acid acetic 4 1. Acetone Acetone (hay dimethyl formadehyde) là một hợp chất hữu cơ có công thức hóa học là (CH3)2CO. Là một chất dễ cháy, không màu, bay hơi nhanh và có mùi đặc trưng.

Tan trong nước, là dung môi chủ yếu để làm sạch trong phòng thí nghiệm, tổng hợp các chất hữu cơ, thường được sử dụng trong các hoạt chất có trong sơn móng tay,. Các thông số cơ bản của acetone: − Nhiệt độ sôi (1 at): 56 oC − Khối lượng mol: 58,080 g/mol − Tỷ trọng (tại 20 oC): 791 kg/m3 ([2], trang 9, bảng I. Acid acetic Acid acetic (hay acid ethanoic) là một hợp chất hữu cơ (acid cacboxylic) có công thức hóa học là CH3COOH. Là chất lỏng không màu, có mùi sốc, có vị chua và hoàn toàn tan trong nước, rượu hay ete theo bất kỳ tỷ lệ nào.

Là một acid yếu, có hằng số phân ly nhiệt động(ở 25oC): K = 1,75.10-5 Acid acetic được sử dụng rộng rãi trên khắp thế giới với nhiều ngành công nghiệp khác nhau như là chất kết dính, polymer ứng dụng trong sơn hay làm dung môi hòa tan các chất hóa học, sản xuất bảo quản thực phẩm và đặc biệt nhất là dùng để sản xuất giấm. Các thông số cơ bản của acid acetic: − Nhiệt độ sôi (1 at): 118 oC − Khối lượng mol: 60,052 g/mol − Tỷ trọng (tại 20 oC): 1048 kg/m3 ([2], trang 9, bảng I. Cân bằng lỏng hơi của hệ acetone – acid acetic Hỗn hợp acetone – acid acetic có thành phần lỏng (x) và hơi (y) theo phần mol của cấu tử nhẹ là acetone được trình bày ở bảng sau ([3], trang 145): Bảng 1.1: Thành phần cân bằng lỏng hơi hệ acetone – acid acetic t (oC) 118,1 110 103,8 93,1 85,8 79,7 74,6 70,2 66,1 62,6 59,2 56 x (%) 0 5 10 20 30 40 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 99,3 100 100 80 Phần mol y (%) 60 40 20 0 0 20 40 60 80 100 Phần mol x (%) Hình 1.1: Giản đồ pha lỏng cân bằng với pha hơi của hệ acetone – acid acetic 6 120 110 100 90 80 70 T (oC) 60 50 40 30 20 10 0 0 0.2: Giản đồ T – xy của hệ acetone – acid acetic 7 CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 2. Quy trình công nghệ chưng cất acetone – acid acetic Hình 2.1: Sơ đồ quy trình công nghệ 8 Bảng 2.1: Chú thích các thiết bị Ký hiệu Tên thiết bị 1 Bồn chứa nhập liệu 2 Bồn cao vị 3 Bồn chứa sản phẩm đáy 4 Bồn chứa sản phẩm đỉnh 5 Bơm 6 Bơm dòng hồi lưu sản phẩm đỉnh 7 Thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu 8 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 9 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 10 Nồi đun Kettle 11 Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy 12 Tháp chưng cất TT Bộ điều chỉnh nhiệt độ TC Bộ truyền tín hiệu nhiệt độ FT Bộ truyền tín hiệu lưu lượng FC Bộ điều chỉnh lưu lượng 2.

Thuyết minh quy trình công nghệ 9 Hỗn hợp acetone – acid acetic có nồng độ acetone trong hỗn hợp là 20 % (theo phần mol), nhiệt độ ban đầu tại bồn chứa nguyên liệu (1) là khoảng 25 oC được bơm lên bồn cao vị (T-2). Hỗn hợp từ bồn cao vị được dẫn tới thiết bị gia nhiệt (trao đổi nhiệt với hỗn hợp nhập liệu) (7) để đun sôi dòng nhập liệu đến một nhiệt độ cần thiết, sau đó đưa vào đĩa tiếp liệu của tháp chưng cất loại đệm. Lưu lượng được khống chế bằng cách điều chỉnh hệ thống van và lưu lượng kế. Trong tháp, hơi đi từ dưới lên gặp chất lỏng chảy từ trên xuống.

Ở đây có sự tiếp xúc và trao đổi nhiệt giữa 2 pha với nhau. Pha lỏng chuyển động trong phần chưng càng xuống dưới càng giảm nồng độ cấu tử dễ bay hơi vì đã bị nồi đun lôi cuốn các cấu tử. Nhiệt độ càng xuống dưới càng tăng dẫn đến nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng chuyển động trong phần chưng giảm. Ngược lại, càng lên cao nhiệt độ càng giảm nên khi hơi từ dưới lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao hơn trong hỗn hợp là acid acetic sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử acetone chiếm nhiều nhất (80% theo phần mol).

Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh (8), một phần lỏng ngưng tụ được dẫn qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (9) để làm nguội hỗn hợp đến 35 oC rồi đưa tới bồn chứa sản phẩm đỉnh (4). Phần còn lại được hoàn lưu về tháp ở đĩa trên cùng với tỉ số hoàn lưu tối ưu. Một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp được bốc hơi, còn lại cấu tử có nhiệt độ sôi cao trong chất lỏng ngày càng tăng. Cuối cùng, ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng gồm hầu hết cấu tử khó bay hơi (acid acetic) với nồng độ phần mol đạt đến 98%.

Dung dịch lỏng ở đáy tháp được đun tại nồi đun, từ nồi đun một phần hỗn hợp lỏng sẽ bốc hơi cung cấp lại cho đáy tháp để tiếp tục cho quá trình chưng cất , phần lỏng còn lại được dẫn qua thiết bị làm nguội sản phẩm đáy (11) để làm nguội đến hỗn hợp lỏng tới 35 oC rồi đưa vào bồn chứa sản phẩm đáy (3). 10 CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT 3.