CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN I. Lý thuyết về chưng cất 1. Khái niệm Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của hỗn hợp lỏng cũng như hỗn hợp khí lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp (nghĩa là khi ở cùng nhiệt độ, áp suất hơi bão hoà của các cấu tử khác nhau). Thay vì đưa vào trong hỗn hợp một pha mới để tạo nên sự tiếp xúc giữa hai pha như trong quá trình hấp thu hoặc nhả khí, trong quá trình chưng cất pha mới được tạo nên bằng sự bốc hơi hoặc ngưng tụ.
Chưng cất và cô đặc khá giống nhau, tuy nhiên sự khác nhau căn bản nhất của hai quá trình này là trong quá trình chưng cất dung môi và chất tan đều bay hơi (nghĩa là các cấu tử đều hiện diện trong cả hai pha nhưng với tỷ lệ khác nhau), còn trong quá trình cô đặc thì chỉ có dung môi bay hơi còn chất tan không bay hơi. Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu được bấy nhiêu sản phẩm. Nếu xét hệ đơn giản chỉ có hai cấu tử thì ta sẽ thu được hai sản phẩm: - Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt độ sôi nhỏ). - Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi nhỏ (nhiệt độ sôi lớn).
Đối với hệ Benzen – Toluen: - Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm benzen và một ít toluen. - Sản phẩm đáy chủ yếu là toluen và một ít benzen. Các phương pháp chưng cất Các phương pháp chưng cất được phân loại theo: - Áp suất làm việc: • Áp suất thấp (nhỏ hơn áp suất khí quyển). • Áp suất thường (bằng áp suất khí quyển).
- Nguyên tắc làm việc: dựa vào nhiệt độ sôi của các cấu tử có trong hệ, nếu nhiệt độ sôi của các cấu tử quá cao thì ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi của các 1|Page Tính toán tháp chưng cất mâm chóp cấu tử có trong hệ, từ đó cũng dẫn đến làm thay đổi giản đồ pha của hệ theo hướng giảm nhiệt độ sôi của cả hệ chưng cất. - Nguyên lí làm việc: • Chưng một bậc. • Chưng lôi cuốn theo hơi nước. • Chưng cất.
- Cấp nhiệt ở đáy tháp: • Cấp nhiệt trực tiếp. • Cấp nhiệt gián tiếp. Do hệ cần phân tách là hệ methanol – nước, có nhiệt độ sôi mỗi cấu tử ở áp suất khí quyển là 65oC (với methanol nguyên chất) và 100oC (với nước nguyên chất) và dựa theo các số liệu về cân bằng lỏng – hơi – nhiệt độ sôi (T – x – y) thì hệ này tại áp suất khí quyển không có điểm đẳng phí, do đó khoảng nhiệt độ sôi của hỗn hợp này sẽ dao động trong khoảng 65 – 100oC tùy theo nồng độ cấu tử. Khoảng nhiệt độ này không quá cao để phải thực hiện chưng cất chân không.
Vì vậy, để chưng cất hệ methanol – nước ta thực hiện chưng cất ở áp suất khí quyển (xem như 1 atm), tháp hoạt động liên tục (để ổn định năng suất, dễ cơ giới hóa, tự động hóa và giảm chi phí vận hành. Thiết bị chưng cất Trong sản xuất, người ta thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để tiến hành chưng cất. Tuy nhiên, yêu cầu cơ bản chung của các thiết bị vẫn giống nhau nghĩa là diện tích tiếp xúc pha phải lớn. Điều này phụ thuộc vào mức độ phân tán của các pha vào nhau.
Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta có các loại tháp mâm, nếu pha lỏng phân tán vào pha khí ta có tháp chêm, tháp phun,… Ở đây ta khảo sát hai loại tháp thường dùng là tháp mâm và tháp chêm. Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có cấu tạo khác nhau, trên đó pha lỏng và pha hơi được cho tiếp xúc với nhau. Tuỳ theo cấu tạo của mâm, ta có: - Tháp mâm chóp: trên mâm bố trí có chóp dạng tròn, xupap, chữ S,…và ống chảy chuyền có nhiều tiết diện khác nhau phụ thuộc vào suất lượng pha lỏng. 2|Page Tính toán tháp chưng cất mâm chóp - Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh.
Tháp chêm (tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối tiếp nhau bằng mặt bích hay hàn.Vật chêm được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp sau: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự. Do sản phẩm là methanol với yêu cầu độ tinh khiết cao khi sử dụng cùng với hỗn hợp methanol – nước là hỗn hợp không có điểm đẳng khí nên đồ án lựa chọn phương pháp chưng cất liên tục, cấp nhiệt gián tiếp, sử dụng tháp mâm chóp. Methanol Methanol còn gọi là methyl alcohol, alcohol gỗ, rượu metylic, naphtha gỗ hay rượu mạnh gỗ, có công thức hoá học CH3OH (thường viết tắt là MeOH). Ở nhiệt độ phòng, rượu metylic là chất lỏng không màu, phân cực, tan vô hạn trong nước có mùi vị đặc trưng.
Một số thông số vật lý: Phân tử lượng: 32,04 g/mol Khối lượng riêng: 0,7918 g/cm3 Nhiệt độ nóng chảy: -97oC Nhiệt độ sôi ở 760 mmHg: 64,5oC Độ nhớt: 0,59 N.s/m2 ở 20oC Methanol được sử dụng như một chất chống đông, dung môi, nhiên liệu, nguyên liệu để sản xuất các chất khác. Ngoài ra methanol còn được chuyển hóa thành formaldehyde phục vụ cho nền công nghiệp chất dẻo, sơn,… Hiện nay, methanol được sản xuất bằng cách tổng hợp trực tiếp từ H2 và CO, gia nhiệt áp suất thấp có mặt chất xúc tác. Nước Nước có công thức phân tử H2O, là chất lỏng không màu, không mùi, không vị. Một số thông số vật lý: Phân tử lượng: 18 g/mol Khối lượng riêng: 997,08 kg/m3 (ở 25oC) Nhiệt độ sôi ở 760mmHg: 100oC 3|Page Tính toán tháp chưng cất mâm chóp Nhiệt đô nóng chảy: 0oC Độ nhớt: 1,0.s/m2 ở 25oC Nước là hợp chất phân cực mạnh, vì vậy được dùng làm dung môi hòa tan nhiều chất rắn, lỏng, khí.
Hệ methanol – nước Bảng cân bằng lỏng – hơi cho hỗn hợp methanol – nước ở 1atm: ToC 100 92,3 87,7 81,7 78 75,3 73,1 71,2 69,3 67,5 66 64,5 x 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 y 0 26,8 41,8 57,9 66,5 72,9 77,9 82,5 87 91,5 95,8 100 Trong đó: x là thành phần lỏng, y là thành phần hơi (% mol). Bảng số liệu trên được biểu diễn thành giản đồ T – x – y (thể hiện sự thay đổi điểm bọt và điểm sương của hỗn hợp methanol – nước tại 1 atm theo sự thay đổi nồng độ cấu tử methanol trong pha lỏng) và giản đồ x – y (thể hiện đường cong cân bằng phân mol lỏng – hơi của hệ). Đường cong cân bằng lỏng – hơi của hệ methanol – nước tại 1 atm là đường cong lồi, và không có điểm đẳng phí (điểm mà tại đó x = y). 4|Page Tính toán tháp chưng cất mâm chóp Hình 1.
Đường cong cân bằng lỏng – hơi của hệ methanol – nước tại 1 atm. Giản đồ T – x – y của hệ methanol – nước tại 1 atm. 5|Page Tính toán tháp chưng cất mâm chóp CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ I. Lựa chọn thiết bị - Tháp chưng cất: Tháp mâm chóp.
- Nồi đun sử dụng cho tháp chưng: Nồi đun Kettle. - Thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu: Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm. - Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh: Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm. - Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh: Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm.
- Bồn cao vị (ổn định lưu lượng nhập liệu). -Dùng bơm li tâm ( bơm nguyên liệu lên bồn cao vị ). Sơ đồ quy trình công nghệ Thuyết minh sơ đồ quy trình công nghệ Nguyên liệu của quy trình là dung dịch methanol - nước với phần khối lượng của methanol là 30%, được chứa trong bồn chứa nguyên liệu (1). Dung dịch nhập liệu được bơm (2) đưa lên bồn cao vị (4), mực chất lỏng ở bồn cao vị được khống chế nhờ vào ống chảy tràn.
Dòng nhập liệu tiếp tục được điều chỉnh nhờ vào lưu lượng kế (5) và được đưa vào thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu (6). Tại đây, dòng nhập liệu được gia nhiệt từ nhiệt độ ban đầu đến nhiệt độ lỏng sôi của hỗn hợp bằng hơi nước bão hoà. Sau đó dòng nhập liệu được đưa vào tháp chưng cất (10) ở mâm nhập liệu. Tháp chưng cất gồm 2 phần: phần trên mâm nhập liệu là phần cất, phần dưới mâm nhập liệu là phần chưng.
Trong tháp, hơi đi từ dưới lên, gặp chất lỏng đi từ trên xuống. Ở đây có sự tiếp xúc và trao đổi giữa hai pha. Pha lỏng đi trong phần chưng, càng xuống dưới nồng độ các cấu tử dễ bay hơi càng giảm vì đã bị pha hơi từ nồi đun (16) lôi cuốn. Nhiệt độ càng lên trên càng thấp, nên khi hơi đi qua các mâm từ dưới lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao là nước sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp mà cấu tử methanol chiếm hàm lượng lớn nhất.
Một phần chất lỏng ngưng tụ đi qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (14), rồi được đưa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh (15). Phần còn lại của chất lỏng ngưng tụ được hoàn lưu về đỉnh tháp. Thiết bị ngưng tụ (12) và thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (14) là thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm với tác nhân làm nguội là nước lạnh. Nước ngưng của các thiết bị gia nhiệt được tháo qua thiết bị tháo nước ngưng – bẫy hơi (9).
Ở đáy tháp, ta thu được hỗn hợp hầu hết là các cấu tử khó bay hơi. Hỗn hợp lỏng ở đáy có phần khối lượng của methanol là 1%, còn lại là nước. Sản phẩm đáy khi ra khỏi tháp vào nồi đun (16). Trong nồi đun một phần dung dịch lỏng sẽ bốc hơi cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc.
Phần còn lại được dẫn vào bồn chứa sản phẩm đáy (17), được làm nguội tự nhiên. Do còn chứa một ít methanol nên sản phẩm đáy sẽ được xử lý trước khi thải ra môi trường. Sơ đồ quy trình công nghệ 6|Page Tính toán tháp chưng cất mâm chóp 7|Page Tính toán tháp chưng cất mâm chóp CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG I. Cân bằng vật chất 1.
Các thông số Thông số dòng nhập liệu và yêu cầu bài toán - Năng suất nhập liệu: 1500 kg/h. - Nhập liệu có nồng độ: 30% khối lượng Methanol. - Nồng độ sản phẩm đỉnh: 98% khối lượng Methanol. - Nồng độ sản phẩm đáy: 1% khối lượng Methanol.
Thông số dòng tiện ích - Tác nhân gia nhiệt nồi đun: Hơi nước bão hoà ở 3 at.
