Đồ án kỹ thuật thực phẩm: Thiết kế tháp chưng cất hỗn hợp acid acetic và nước 1200kg

• Tác giả: Nguyễn Hửu Tài
• Người hướng dẫn: Tiền Tiến Nam
• Trường học: Trường ĐH Công Nghiệp Thực Phẩm TP.HCM
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Thực Phẩm
• Đề tài: Thiết kế tháp chưng cất hỗn hợp acid acetic-nước 1200kg nhập liệu/h ( Tháp mâm chóp )
• Loại tài liệu: báo cáo đồ án kỹ thuật thực phẩm
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: TP.HCM

• LỜI NÓI ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Cơ sở lý thuyết về chưng cất
• 1.2. Các phương pháp chưng cất
• 1.3. Thiết bị chưng cất
• 1.4. Tổng quan về nguyên liệu
• 1.5. Hỗn hợp Acid acetic – Nước
• 2. CHƯƠNG 2: SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ VÀ THUYẾT MINH QUY TRÌNH
• 2.1. Thuyết minh quy trình
• 3. CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT
• 3.1. Các thông số ban đầu
• 3.2. Xác định suất lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy
• 3.3. Xác định tỉ số hoàn lưu làm việc
• 3.4. Xác định suất lượng mol của các dòng
• 3.4.1. Tại đỉnh tháp
• 3.4.2. Tại mâm nhập liệu
• 4. CHƯƠNG 4: CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
• 4.1. Cân bằng nhiệt lượng cho tháp chưng cất
• 4.2. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ
• 4.3. Cân bằng nhiệt của thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh
• 4.4. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm nguội sản phẩm đáy (trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu ban đầu)
• 4.5. Cân bằng nhiệt lượng trong thiết bị đun sôi dòng nhập liệu
• 5. CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH
• 5.1. Phương trình đường làm việc
• 5.2. Đường kính tháp
• 5.2.1. Đường kính đoạn cất
• 5.2.2. Đường kính đoạn chưng
• 5.2.3. Đường kính toàn tháp
• 5.3. Xác định số mâm lý thuyết và số mâm thực tế. Chiều cao tháp
• 5.4. Tính toán chóp – ống chảy chuyền
• 5.4.1. Tính cho phần cất
• 5.4.2. Tính cho phần chưng
• 5.5. Tính tổng tổn thất qua toàn tháp
• 5.6. Gradient chiều cao mực chất lỏng trên mâm Δ
• 5.7. Độ giảm áp của pha khí qua một mâm ht
• 5.8. Tính trở lực của tháp
• 5.8.1. Tổng trở lực phần cất
• 5.8.2. Tổng trở lực của phần chưng
• 5.8.3. Tổng trở lực của toàn tháp ΔP
• 6. CHƯƠNG 6: TÍNH TOÁN KẾT CẤU THÁP
• 6.1. Tính bề dày thân trụ của tháp
• 6.2. Tính bề dày đáy nắp và thiết bị
• 6.3. Tính bề dày mâm
• 6.4. Tính chi tiết ống dẫn
• 6.4.1. Đường kính ống dẫn hơi vào thiết bị ngưng tụ
• 6.4.2. Ống dẫn dòng chảy hoàn lưu
• 6.4.3. Ống dẫn dòng nhập liệu
• 6.4.4. Ống dẫn dòng sản phẩm đáy
• 6.4.5. Ống dẫn hơi từ nồi đun qua tháp
• 6.5. Tính mặt bích và vòng đệm
• 6.5.1. Bích và đệm để nối và bích kín thiết bị
• 6.5.2. Bích để nối các ống dẫn
• 6.6. Tính tai treo và chân đỡ
• 6.7. Tính sơ bộ khối lượng tháp
• 6.8. Chọn tai treo
• 6.9. Tính cách lớp cách nhiệt
• 7. CHƯƠNG 7: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ
• 7.1. Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu hay thiết bị làm nguội sản phẩm đáy
• 7.2. Điều kiện nhiệt độ của quá trình. Tính toán thiết bị
• 7.3. Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh
• 7.4. Điều kiện nhiệt độ của quá trình. Tính toán thiết bị
• 7.5. Thiết bị ngưng tụ hoàn lưu
• 7.6. Điều kiện nhiệt độ của quá trình. Tính toán thiết bị
• 7.7. Thiết bị nồi đun
• 7.8. Điều kiện nhiệt độ của quá trình. Tính toán thiết bị
• 7.9. Thiết bị đun sôi dòng nhập liệu
• 7.10. Xác định hệ số cấp nhiệt của dòng nhập liệu trong ống
• 7.11. Xác định hệ số cấp nhiệt của nước bên ngoài ống
• 7.12. Nhiệt tải riêng
• 7.13. Xác định hệ số truyền nhiệt
• 7.14. Bề mặt truyền nhiệt
• 7.15. Chiều dài mỗi ống
• 7.16. Bồn cao vị
• 7.17. Tổn thất đường ống dẫn
• 7.18. Tổn thất đường ống dẫn trong thiết bị đun sôi dòng nhập liệu
• 7.19. Tính tổng trở lực trong ống
• 7.20. Tính cột áp của bơm
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan

Chưng cất là một quá trình quan trọng trong ngành công nghiệp hóa chất, được sử dụng để tách các cấu tử của hỗn hợp lỏng dựa vào độ bay hơi khác nhau. Đối với hệ acid acetic và nước, chưng cất là phương pháp tối ưu để nâng cao độ tinh khiết của sản phẩm. Hệ thống chưng cất thường sử dụng tháp chưng cất, trong đó có nhiều loại thiết bị khác nhau như tháp mâm và tháp chêm. Tháp mâm chóp được lựa chọn cho quá trình này do hiệu suất cao và khả năng làm việc với chất lỏng bẩn. Đối với hỗn hợp acid acetic - nước, sản phẩm đỉnh chủ yếu là nước, trong khi sản phẩm đáy chủ yếu là acid acetic.

1.1. Cơ sở lý thuyết về chưng cất

Chưng cất là quá trình tách các cấu tử của hỗn hợp lỏng dựa vào độ bay hơi khác nhau. Trong quá trình này, cả dung môi và chất tan đều bay hơi, tạo ra hai sản phẩm: sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy. Đối với hệ nước - acid acetic, sản phẩm đỉnh chủ yếu là nước với nồng độ 94% và sản phẩm đáy là acid acetic với nồng độ 3%. Việc lựa chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp nhiệt gián tiếp là cần thiết để tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm năng lượng.

II. Quy trình thiết kế tháp chưng cất

Quy trình thiết kế tháp chưng cất hỗn hợp acid acetic - nước 1200kg nhập liệu/h bao gồm nhiều bước quan trọng. Đầu tiên, hỗn hợp được bơm lên bồn cao vị và gia nhiệt đến nhiệt độ 108,8°C. Sau đó, hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất, nơi có sự tiếp xúc giữa pha lỏng và pha hơi. Nhiệt độ trong tháp giảm dần từ dưới lên trên, dẫn đến việc cấu tử dễ bay hơi được tách ra và thu hồi ở sản phẩm đỉnh. Sản phẩm đáy chứa chủ yếu là acid acetic với nồng độ 3%. Quy trình này đảm bảo rằng sản phẩm thu được đạt yêu cầu về độ tinh khiết và hiệu suất.

2.1. Sơ đồ nguyên lý

Sơ đồ nguyên lý của tháp chưng cất cho thấy các bước chính trong quy trình. Hỗn hợp nước - acid acetic được bơm lên bồn cao vị, sau đó gia nhiệt và đưa vào tháp. Tại đây, quá trình trao đổi nhiệt diễn ra giữa pha lỏng và pha hơi, dẫn đến việc tách biệt các cấu tử. Sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy được thu hồi và xử lý tiếp theo. Quy trình này không chỉ tối ưu hóa hiệu suất mà còn đảm bảo tính liên tục trong sản xuất.

III. Tính toán thiết bị

Tính toán thiết bị là một phần quan trọng trong thiết kế tháp chưng cất. Các thông số như đường kính tháp, số mâm lý thuyết và thực tế, cũng như chiều cao tháp cần được xác định chính xác. Đường kính tháp được tính toán dựa trên lưu lượng và tính chất của hỗn hợp. Số mâm lý thuyết được xác định dựa trên hiệu suất tách và tỷ số hoàn lưu. Việc tính toán này đảm bảo rằng tháp hoạt động hiệu quả và đạt được sản phẩm với độ tinh khiết cao.

3.1. Tính toán đường kính tháp

Đường kính tháp được tính toán dựa trên lưu lượng và tính chất của hỗn hợp. Đối với hệ acid acetic - nước, đường kính tháp cần đủ lớn để đảm bảo hiệu suất tách cao. Việc xác định đường kính không chỉ ảnh hưởng đến hiệu suất mà còn đến chi phí đầu tư và vận hành. Tính toán chính xác sẽ giúp tối ưu hóa thiết kế và đảm bảo rằng tháp hoạt động hiệu quả trong suốt quá trình sản xuất.