Thiết Kế Tháp Chưng Cất (Tháp Đệm) Cho Hệ Ethanol – Nước Năng Suất Nhập Liệu 2100 kg/h

Đồ án nghiên cứu Đề tài đồ án môn học quá trình thiết bị thiết kế tháp chưng cất tháp đệm cho hệ ethanol nước năng, áp dụng công nghệ tiên tiến, tối ưu giải pháp kỹ thuật cho bài

• Tác giả: Âu Thiên Đẩu
• Người hướng dẫn: ThS. Hồ Tấn Thành
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. HCM
• Chuyên ngành: Công Nghệ Hóa Học
• Đề tài: Thiết Kế Tháp Chưng Cất Ethanol – Nước Năng Suất 2100 Kg/H
• Loại tài liệu: Đồ Án Môn Học
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về thiết kế tháp chưng cất ethanol nước

Thiết kế tháp chưng cất ethanol – nước là một trong những nhiệm vụ quan trọng trong ngành công nghiệp hóa chất. Tháp chưng cất được sử dụng để tách các cấu tử trong hỗn hợp dựa trên sự khác biệt về nhiệt độ bay hơi. Hệ ethanol – nước là một hệ phổ biến trong sản xuất, với năng suất nhập liệu lên đến 2100 kg/h. Việc thiết kế tháp chưng cất không chỉ yêu cầu kiến thức về lý thuyết chưng cất mà còn cần phải tính toán kỹ lưỡng các thông số kỹ thuật để đảm bảo hiệu suất và tiết kiệm chi phí.

1.1. Khái niệm và nguyên lý chưng cất

Chưng cất là phương pháp tách các hỗn hợp chất lỏng dựa vào độ bay hơi khác nhau. Nguyên lý hoạt động của tháp chưng cất là lặp đi lặp lại quá trình bay hơi và ngưng tụ, giúp tách biệt các cấu tử trong hỗn hợp. Đối với hệ ethanol – nước, sản phẩm đỉnh chủ yếu là ethanol, trong khi sản phẩm đáy chủ yếu là nước.

1.2. Các loại tháp chưng cất phổ biến

Trong sản xuất, tháp chưng cất thường được chia thành tháp mâm và tháp đệm. Tháp mâm có cấu tạo phức tạp nhưng hiệu suất cao, trong khi tháp đệm có cấu tạo đơn giản và dễ vận hành. Việc lựa chọn loại tháp phù hợp phụ thuộc vào tính chất của hỗn hợp cần chưng cất.

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

Thiết kế tháp chưng cất ethanol – nước đối mặt với nhiều thách thức, bao gồm việc tối ưu hóa hiệu suất và giảm chi phí. Các yếu tố như nhiệt độ, áp suất và lưu lượng dòng chảy đều ảnh hưởng đến hiệu suất chưng cất. Ngoài ra, việc lựa chọn vật liệu và thiết bị cũng là một yếu tố quan trọng trong quá trình thiết kế.

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

Hiệu suất chưng cất phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nhiệt độ, áp suất và tỷ lệ hồi lưu. Việc tối ưu hóa các yếu tố này sẽ giúp nâng cao hiệu suất và giảm thiểu chi phí sản xuất.

2.2. Chi phí thiết kế và vận hành tháp chưng cất

Chi phí thiết kế tháp chưng cất bao gồm chi phí vật liệu, thiết bị và lắp đặt. Ngoài ra, chi phí vận hành cũng cần được xem xét để đảm bảo tính khả thi của dự án. Việc lựa chọn thiết bị phù hợp có thể giúp giảm chi phí vận hành.

III. Phương pháp thiết kế tháp chưng cất hiệu quả

Để thiết kế tháp chưng cất ethanol – nước hiệu quả, cần áp dụng các phương pháp tính toán cân bằng vật chất và năng lượng. Việc sử dụng phần mềm mô phỏng cũng giúp tối ưu hóa thiết kế và dự đoán hiệu suất của tháp.

3.1. Tính toán cân bằng vật chất

Cân bằng vật chất là bước quan trọng trong thiết kế tháp chưng cất. Cần xác định các dòng vào và ra của hệ thống để đảm bảo tính chính xác trong thiết kế. Các thông số như nồng độ và lưu lượng cần được tính toán kỹ lưỡng.

3.2. Tính toán cân bằng năng lượng

Cân bằng năng lượng giúp xác định lượng nhiệt cần thiết cho quá trình chưng cất. Việc tính toán này bao gồm việc xác định nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào tháp và nhiệt lượng tổn thất ra môi trường.

IV. Ứng dụng thực tiễn của tháp chưng cất ethanol nước

Tháp chưng cất ethanol – nước có nhiều ứng dụng trong ngành công nghiệp hóa chất. Sản phẩm ethanol được sử dụng rộng rãi trong sản xuất thực phẩm, dược phẩm và nhiên liệu sinh học. Việc tối ưu hóa thiết kế tháp chưng cất sẽ giúp nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm thiểu chi phí sản xuất.

4.1. Ứng dụng trong ngành thực phẩm

Ethanol được sử dụng trong ngành thực phẩm như một chất bảo quản và hương liệu. Việc chưng cất ethanol từ nước giúp tạo ra sản phẩm có độ tinh khiết cao, đáp ứng yêu cầu của ngành thực phẩm.

4.2. Ứng dụng trong ngành dược phẩm

Trong ngành dược phẩm, ethanol được sử dụng làm dung môi cho nhiều loại thuốc. Việc thiết kế tháp chưng cất hiệu quả sẽ giúp sản xuất ethanol đạt tiêu chuẩn chất lượng cao, phục vụ cho ngành dược phẩm.

V. Kết luận và tương lai của thiết kế tháp chưng cất

Thiết kế tháp chưng cất ethanol – nước là một lĩnh vực quan trọng trong ngành công nghiệp hóa chất. Với sự phát triển của công nghệ, việc tối ưu hóa thiết kế tháp chưng cất sẽ ngày càng trở nên cần thiết. Tương lai của ngành này hứa hẹn sẽ có nhiều cải tiến về hiệu suất và tiết kiệm chi phí.

5.1. Xu hướng phát triển công nghệ chưng cất

Công nghệ chưng cất đang ngày càng phát triển với nhiều cải tiến về hiệu suất và tiết kiệm năng lượng. Việc áp dụng công nghệ mới sẽ giúp nâng cao hiệu quả sản xuất và giảm thiểu tác động đến môi trường.

5.2. Tầm quan trọng của nghiên cứu và phát triển

Nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực thiết kế tháp chưng cất là rất quan trọng. Việc đầu tư vào nghiên cứu sẽ giúp tạo ra các giải pháp mới, nâng cao hiệu quả và chất lượng sản phẩm trong ngành công nghiệp hóa chất.

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. Quá trình chưng cất là quá trình trong đó cả dung môi và chất tan đều bay hơi (các cấu tử hiện diện trong cả hai pha nhưng với tỷ lệ khác nhau).

Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường thì bao nhiêu sẽ thu được bấy nhiêu sản phẩm. 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. 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. Đối với hệ Ethanol – Nước thì sản phẩm đỉnh chủ yếu là ethanol, sản phẩm đáy chủ yếu là nước.

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. 2 Nguyên tắc của phương pháp này dựa vào nhiệt độ sôi của cấu tử, nếu nhiệt độ sôi của 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 3 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 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. 4 Bảng 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 Làm việc được với chất Ít tốn kim loại và trở lực định. lỏng bẩn nếu dùng đệm thấp hơn so với tháp chóp.

Ít tiêu hao năng cầu có    của chất lượng nên số lỏng. Nhược Do có hiệu ứng thành Trở lực khá cao. Cấu tạo phức tạp. điểm nên hiệu suất truyền Yêu cầu lắp đặt khắc khe → Trở lực lớn.

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

Trong đồ án này ta sẽ sử dụng tháp đệm để chưng cất hệ Ethanol – Nước. Tổng quan về hệ ethanol – nước 1. Ethanol * Tính chất vật lý: Ethanol là một chất lỏng, không màu, trong suốt, mùi thơm dễ chịu và đặc trưng, vị cay, có khối lượng phân tử là 46,07dvC. Ethanol nhẹ hơn nước (khối lượng riêng 0,7936 g/ml ở 15 độ C), dễ bay hơi (sôi ở nhiệt độ 78,39 độ C), hóa rắn ở -114,15 độ C, tan trong nước vô hạn, tan trong ete và clorofom.

5 * Tính chất hóa học Tất cả các phản ứng hóa học xảy ra ở nhóm hydroxyl (OH) của Ethanol là thể hiện tính chất hóa học của nó. Phản ứng ester hóa, phản ứng giữa rượu và axit với môi trường là Sulfuric Acid đặc nóng tạo ra ester. Ví dụ: C2H5OH + CH3COOH → CH3COOC2H5 + H2O • Ứng dụng: Ethanol có nhiều ứng dụng, nó đóng vai trò quan trọng nền kinh tế quốc dân. Nó là nguyên liệu rộng rãi trong các nghành: công nghiệp nặng,y tế và dược, quốc phòng, giao thông vận tải, dệt, chế biến gỗ,… • Phương pháp điều chế: Có nhiều phương pháp điều chế Ethanol như hydrate hóa Ethylene với xúc tác H2SO4, hydro hóa Andehyde CH3CHO, thủy phần dẫn xuất halogen hoặc ester của Ethanol,.

Trong công nghiệp, người ta điều chế Ethanol bằng cách lên men từ tinh bột hoặc điều chế Ethanol thông qua công nghiệp hóa dầu. Nước Nước (H2O) là hợp chất vô cơ tồn tại dạng lỏng ở nhiệt độ phòng, không màu, không mùi, không vị, là thành phần chính của thủy quyển Trái đất. Không chỉ vậy, nước là chất phổ biến duy nhất tồn tại cả 3 trạng thái (rắn, lỏng, khí) trên Trái đất, cũng là hợp chất chiếm phần lớn diện tích trên Trái đất (3/4 bề mặt) và một phần không thể thiếu cho sự sống. Về mặt hình học thì phân tử nước có góc liên kết là 104,45℃.

Do các cặp điện tử tự do chiếm nhiều chổ nên góc này sai lệch đi so với góc lý tưởng của hình tứ diện. Chiều dài của liên kết O - H là 95,84 picômét. Việc tạo chuỗi của các phân tử nước thông qua liên kết Hydro với nhau là nguyên nhân cho nhiều tính chất đặc biệt của nước, chẳng hạn như là nước có khối lượng 6 riêng lớn nhất ở 4℃ nhiệt độ sôi cao so với những hợp chất khác có cùng khối lượng mol và có khả năng tỏa nhiệt rất cao. Tính chất vật lý của nước Tính dẫn nhiệt: Nước có khả năng dẫn nhiệt tốt, có khả năng truyền nhiệt nhanh chóng thông qua quá trình dẫn nhiệt, giúp duy trì nhiệt độ ổn định trong nước và cũng trong các hệ sinh thái thủy sinh.

Tính dẫn điện: Mặc dù nước tinh khiết là chất cách điện tốt, nhưng nước thông thường chứa nhiều loại muối tan dẫn đến xuất hiện xuất các ion dẫn điện, tạo ra khả năng dẫn điện. Khả năng hòa tan: Nước là dung môi tốt và có khả năng hòa tan nhiều chất, đặc biệt là các chất ion và các hợp chất có khối lượng phân tử nhỏ. Điều này làm cho nước trở thành môi trường lý tưởng cho các quá trình hóa học và sinh học. Bảng 2: Thông số hóa lý của Nước Công thức phân tử H2 O Khối lượng phân tử, g/mol 18 Khối lượng riêng, g/cm3 (25℃) 0,997 Nhiệt độ nóng chảy, ℃ (760 mmHg) 0 Nhiệt độ sôi, ℃ (760 mmHg) 100 Nhiệt dung riêng, kJ⁄kg.3 Hệ Ethanol – Nước Thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Ethanol – Nước ở 760mmHg: Bảng 3: Thành phần cân bằng lỏng hơi hệ Ethanol – Nước x 0 5,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 89,4 90,0 100 y 0 33,2 44,3 53,1 57,6 61,4 65,4 69,9 75,3 81,8 89,4 89,8 100 t 100 90,5 86,5 83,2 81,7 80,8 80,0 79,4 79,0 78,6 78,15 78,4 78,4 Hình 1: Đồ thị cân bằng lỏng – hơi hệ Ethanol – Nước 8 CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 2.

Quy trình công nghệ chưng cất ethanol – nước( đính kèm ) 2. Thuyết minh quy trình công nghệ Quy trình chưng cất hỗn hợp ethanol - nước được diễn đạt như sau: Hỗn hợp ethanol – nước có nồng độ ethanol trong hỗn hợp là 2,86% (theo phần mol), nhiệt độ ban đầu tại bồn chứa nguyên liệu là khoảng 25 oC được bơm lên bồn cao vị. Hỗn hợp từ bồn cao vị được dẫn tới thiết bị gia nhiệt (trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy) 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 nước sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử ethanol chiếm nhiều nhất (56,7% theo phần mol).