Thiết Kế Thiết Bị Chưng Cất Metanol - Nước Kiểu Mâm Xuyên Lỗ, Năng Suất 1800 kg/h

Thiết kế thiết bị chưng cất metanol nước mâm xuyên lỗ. Năng suất nhập liệu 1800 kg hỗn hợp. Giải pháp tối ưu cho sản xuất công nghiệp.

• Tác giả: Phan Thị Ngọc Quyền
• Người hướng dẫn: Nguyễn Hữu Quyền
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghiệp Thực Phẩm Tp. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Thực Phẩm
• Đề tài: Thiết Kế Thiết Bị Chưng Cất Metanol – Nước Kiểu Mâm Xuyên Lỗ, Năng Suất Nhập Liệu 1800 Kg Hỗn Hợp/H
• Loại tài liệu: Đồ Án
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• NHÂN XÉT CỦA GIÁO VIÊN
• MỤC LỤC
• MỤC LỤC BẢNG
• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về sản phẩm
• 1.2. Quá trình và thiết bị chưng cất
• 2. CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
• 2.1. Thuyết minh quy trình
• 2.2. Sơ đồ quy trình
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH 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 – số mâm lý thuyết
• 4. CHƯƠNG 4: TÍNH CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
• 4.1. Cân bằng nhiệt lượng cho tháp chưng cất:
• 5. CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH
• 5.1. Tính toán kích thước thiết bị
• 5.2. Tính toán cơ khí thiết bị
• 6. CHƯƠNG 6: TÍNH THIẾT BỊ PHỤ
• 6.1. Các thiết bị truyền nhiệt
• 8. CHƯƠNG 8: KẾT LUẬN

Tóm tắt

I. Hướng dẫn tổng quan về thiết kế thiết bị chưng cất Metanol

Thiết kế thiết bị chưng cất Metanol năng suất cao là một bài toán kỹ thuật phức tạp, đòi hỏi sự kết hợp giữa lý thuyết truyền khối và tính toán cơ khí chính xác. Metanol (CH3OH) là một hóa chất nền tảng trong nhiều ngành công nghiệp, từ sản xuất dung môi, nhiên liệu sinh học đến tổng hợp hóa học. Việc tinh chế Metanol từ hỗn hợp với nước đến độ tinh khiết cao (thường trên 95%) là yêu cầu bắt buộc để đảm bảo chất lượng sản phẩm cuối cùng. Quá trình chưng cất, cụ thể là hệ thống chưng cất phân đoạn, được xem là phương pháp hiệu quả nhất để tách hai cấu tử này dựa trên sự khác biệt về độ bay hơi. Nước có nhiệt độ sôi 100°C trong khi Metanol sôi ở 64.7°C tại áp suất khí quyển, tạo điều kiện thuận lợi cho việc tách chúng ra khỏi nhau. Một hệ thống chưng cất điển hình bao gồm các bộ phận chính: tháp chưng cất Metanol (thường là tháp mâm hoặc tháp đệm), bình đun (reboiler) để cung cấp năng lượng bay hơi, thiết bị ngưng tụ (condenser) để hóa lỏng sản phẩm đỉnh, và hệ thống hồi lưu để tăng cường hiệu quả tách. Dựa trên tài liệu nghiên cứu về "Thiết kế thiết bị chưng cất Metanol – Nước kiểu mâm xuyên lỗ, năng suất 1800 kg/h", mục tiêu là nâng nồng độ Metanol từ 28% lên 95% khối lượng. Việc lựa chọn tháp mâm xuyên lỗ mang lại ưu điểm về hiệu suất cao và khả năng làm việc ổn định, tuy nhiên đòi hỏi tính toán thủy động lực học chi tiết để tránh các hiện tượng ngập lụt hay sặc lỏng, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất chưng cất.

1.1. Vai trò và tầm quan trọng của công nghệ chưng cất Metanol

Trong công nghiệp hóa chất, công nghệ chưng cất Metanol đóng vai trò then chốt trong việc sản xuất Metanol tinh khiết. Metanol thô thường chứa nước và các tạp chất khác, không đáp ứng được yêu cầu cho các ứng dụng chuyên sâu. Quá trình chưng cất không chỉ giúp thu hồi Metanol từ các dòng thải công nghiệp mà còn nâng cao giá trị thương phẩm của sản phẩm. Độ tinh khiết của Metanol ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của các phản ứng hóa học tiếp theo và chất lượng của sản phẩm cuối cùng như formaldehyde, axit axetic, và nhiên liệu MTBE. Do đó, việc đầu tư vào một hệ thống chưng cất hiệu quả là yếu tố sống còn đối với các nhà máy sản xuất.

1.2. Phân tích cân bằng lỏng hơi của hệ Metanol Nước

Cơ sở của quá trình chưng cất nằm ở sự khác biệt trong thành phần pha hơi và pha lỏng khi chúng ở trạng thái cân bằng. Dữ liệu cân bằng lỏng-hơi Metanol-Nước là thông tin đầu vào quan trọng nhất cho mọi tính toán thiết kế. Theo Bảng 1 trong tài liệu gốc, ở cùng một nhiệt độ, pha hơi luôn giàu cấu tử dễ bay hơi (Metanol) hơn so với pha lỏng. Ví dụ, tại 81.7°C, khi nồng độ Metanol trong pha lỏng là 20% (phần mol), nồng độ trong pha hơi lên tới 57.9%. Sự chênh lệch này cho phép tách Metanol ra khỏi nước qua nhiều giai đoạn tiếp xúc lỏng-hơi liên tục bên trong tháp chưng cất.

1.3. Lựa chọn giữa tháp mâm và tháp đệm packing cho hệ thống

Việc lựa chọn loại tháp phụ thuộc vào nhiều yếu tố như lưu lượng, yêu cầu về độ tinh khiết và đặc tính của hỗn hợp. Tháp đệm (đệm tháp) có ưu điểm là trở lực thấp và cấu tạo đơn giản, phù hợp với các hệ thống nhạy cảm với sự sụt áp. Ngược lại, tháp mâm, đặc biệt là mâm chưng cất kiểu xuyên lỗ, cho phép làm việc với dải lưu lượng lỏng-hơi rộng hơn, hiệu suất cao trên mỗi mét chiều cao và dễ dàng vệ sinh hơn. Đối với dự án thiết kế năng suất 1800 kg/h, việc chọn tháp mâm xuyên lỗ là hợp lý, giúp tối ưu hóa kích thước thiết bị và đảm bảo vận hành tháp chưng cất ổn định.

II. Các thách thức trong thiết kế tháp chưng cất Metanol

Thiết kế một tháp chưng cất Metanol hiệu quả không chỉ dừng lại ở việc hiểu nguyên lý mà còn phải đối mặt với nhiều thách thức kỹ thuật. Thách thức lớn nhất là tối ưu hóa năng lượng chưng cất. Quá trình này tiêu tốn một lượng nhiệt năng đáng kể tại bình đun (reboiler) và năng lượng làm mát tại thiết bị ngưng tụ (condenser). Việc xác định chỉ số hồi lưu tối ưu là cực kỳ quan trọng; chỉ số hồi lưu quá thấp sẽ cần số mâm vô hạn, trong khi chỉ số quá cao lại gây lãng phí năng lượng. Một vấn đề khác là đảm bảo thủy động lực học ổn định trên các mâm chưng cất. Vận tốc hơi phải được kiểm soát trong một khoảng cho phép để tránh hiện tượng lôi cuốn lỏng (entrainment) khi vận tốc quá cao, hoặc hiện tượng rò rỉ lỏng (weeping) khi vận tốc quá thấp. Cả hai đều làm giảm đáng kể hiệu suất chưng cất. Ngoài ra, việc lựa chọn vật liệu chế tạo thiết bị cũng là một bài toán. Mặc dù hỗn hợp Metanol-Nước không quá ăn mòn, nhưng để đảm bảo tuổi thọ và độ tinh khiết sản phẩm, thép không gỉ như X18H10T thường được ưu tiên, tuân thủ các tiêu chuẩn thiết bị áp lực. Cuối cùng, việc tích hợp hệ thống điều khiển tự động (DCS/PLC) để duy trì ổn định nồng độ sản phẩm, áp suất và nhiệt độ trong tháp là một thách thức không nhỏ, đòi hỏi sự am hiểu sâu sắc về động học của quá trình.

2.1. Vấn đề tối ưu hóa năng lượng và chỉ số hồi lưu

Năng lượng chiếm một phần lớn chi phí vận hành của hệ thống chưng cất. Bài toán đặt ra là làm sao để đạt được độ tinh khiết mong muốn với chi phí năng lượng thấp nhất. Giải pháp nằm ở việc xác định chỉ số hồi lưu làm việc (R) một cách hợp lý. Dựa trên tính toán từ đồ án, chỉ số hồi lưu tối thiểu (Rmin) là 1.57. Chỉ số hồi lưu làm việc thường được chọn trong khoảng 1.2 đến 1.5 lần Rmin. Lựa chọn này là sự đánh đổi giữa chi phí đầu tư (chiều cao tháp) và chi phí vận hành (năng lượng tiêu thụ). Việc tích hợp các thiết bị trao đổi nhiệt để tận dụng nhiệt từ dòng sản phẩm đáy gia nhiệt cho dòng nhập liệu cũng là một phương pháp tối ưu hóa năng lượng chưng cất hiệu quả.

2.2. Kiểm soát thủy động lực học và hiệu suất mâm chưng cất

Hiệu suất của một mâm thực tế luôn thấp hơn một mâm lý thuyết. Hiệu suất này phụ thuộc vào thiết kế mâm và điều kiện thủy động lực học. Tài liệu nghiên cứu đã tính toán hiệu suất trung bình của tháp là 45.7%. Để đạt được hiệu suất này, cần đảm bảo sự phân bố đồng đều của pha lỏng và pha hơi trên bề mặt mâm. Các thông số như đường kính lỗ, khoảng cách lỗ, và chiều cao gờ chảy tràn phải được tính toán cẩn thận để duy trì một lớp chất lỏng sủi bọt ổn định, tạo điều kiện cho quá trình truyền khối diễn ra hiệu quả. Việc kiểm tra điều kiện ngập lụt và sặc lỏng là bước bắt buộc để đảm bảo tháp hoạt động an toàn.

III. Phương pháp tính toán quy trình cho tháp chưng cất Metanol

Để xây dựng một tháp chưng cất Metanol hoàn chỉnh, bước đầu tiên là thực hiện các tính toán quy trình công nghệ một cách chi tiết. Quá trình này bắt đầu bằng việc thiết lập cân bằng vật chất cho toàn hệ thống. Dựa trên năng suất nhập liệu 1800 kg/h và các nồng độ đầu vào, đầu ra, ta xác định được suất lượng các dòng sản phẩm đỉnh (D) và đáy (W). Từ đó, suất lượng mol của các dòng được tính toán để phục vụ cho các bước tiếp theo. Bước quan trọng thứ hai là xác định các thông số vận hành cốt lõi, bao gồm chỉ số hồi lưu và số mâm lý thuyết. Đồ án đã sử dụng phương pháp đồ thị McCabe-Thiele, một công cụ trực quan và hiệu quả, để xác định số mâm lý thuyết là 6 mâm từ đường cân bằng pha và các đường làm việc. Sau khi có số mâm lý thuyết, cần tính toán hiệu suất trung bình của mâm để quy đổi ra số mâm thực tế, trong trường hợp này là 14 mâm. Cuối cùng, cân bằng năng lượng được thiết lập để xác định lượng nhiệt cần cung cấp cho bình đun (reboiler) (QK) và lượng nhiệt cần lấy đi ở thiết bị ngưng tụ (condenser) (Qnt). Các tính toán này là nền tảng không thể thiếu trước khi tiến hành thiết kế cơ khí chi tiết cho thiết bị.

3.1. Thiết lập cân bằng vật chất và xác định các dòng sản phẩm

Phương trình cân bằng vật chất cơ bản cho toàn tháp là F = D + W (tổng khối lượng) và F.xF = D.xD + W.xW (cân bằng cấu tử Metanol). Với các thông số ban đầu: F = 1800 kg/h, nồng độ nhập liệu xF = 28%, sản phẩm đỉnh xD = 95%, và sản phẩm đáy xW = 1.5%, hệ phương trình được giải để tìm ra suất lượng sản phẩm đỉnh D = 453.4 kg/h và sản phẩm đáy W = 1346.6 kg/h. Các giá trị này sau đó được chuyển đổi sang suất lượng mol để sử dụng trong các tính toán mô phỏng quá trình chưng cất và thiết kế.

3.2. Xác định số mâm lý thuyết bằng phương pháp McCabe Thiele

Phương pháp McCabe-Thiele dựa trên giả định về dòng mol không đổi trong mỗi đoạn của tháp. Đầu tiên, đường cân bằng pha (y* so với x) được vẽ từ dữ liệu thực nghiệm. Tiếp theo, các đường làm việc cho đoạn cất (phần trên mâm nhập liệu) và đoạn chưng (phần dưới mâm nhập liệu) được xác định dựa trên chỉ số hồi lưu đã chọn. Số bậc tam giác được vẽ xen kẽ giữa đường làm việc và đường cân bằng, bắt đầu từ nồng độ sản phẩm đỉnh (xD) và kết thúc khi vượt qua nồng độ sản phẩm đáy (xW), chính là số mâm lý thuyết. Đồ án đã xác định được 6 mâm lý thuyết, bao gồm 4 mâm cho phần luyện và 2 mâm cho phần chưng.

3.3. Tính toán cân bằng nhiệt lượng cho toàn hệ thống chưng cất

Cân bằng năng lượng giúp xác định tải nhiệt của các thiết bị phụ trợ. Phương trình tổng quát là: QF + QK = QW + QD + Qnt + Qm (nhiệt tổn thất). Dựa trên nhiệt dung riêng và ẩn nhiệt hóa hơi của Metanol và nước tại các nhiệt độ tương ứng, tài liệu đã tính toán được tải nhiệt của thiết bị ngưng tụ (Qnt) và từ đó suy ra nhiệt lượng cần cung cấp cho nồi đun đáy tháp (QK) là 500,457.6 KJ/h. Con số này là thông số thiết kế chính cho bình đun (reboiler).

IV. Bí quyết thiết kế cơ khí tháp chưng cất Metanol tối ưu

Sau khi hoàn tất các tính toán quy trình, giai đoạn thiết kế cơ khí sẽ hiện thực hóa các thông số thành một thiết bị vật lý. Việc thiết kế cơ khí cho tháp chưng cất Metanol phải đảm bảo độ bền, an toàn và hiệu quả vận hành. Yếu tố đầu tiên cần xác định là các kích thước chính của tháp: đường kính và chiều cao. Đường kính tháp được tính toán dựa trên lưu lượng hơi cho phép để tránh hiện tượng ngập lụt, với kết quả từ đồ án là 0.6 m. Chiều cao tháp được quyết định bởi số mâm thực tế (14 mâm) và khoảng cách giữa các mâm (chọn 250 mm), cho tổng chiều cao là 3.78 m. Tiếp theo là thiết kế chi tiết cho mâm chưng cất kiểu xuyên lỗ, bao gồm đường kính lỗ, bước lỗ, và diện tích chảy chuyền. Các thông số này ảnh hưởng trực tiếp đến trở lực của tháp và hiệu suất chưng cất. Cuối cùng, bề dày của thân, nắp, và đáy thiết bị được tính toán dựa trên tiêu chuẩn thiết bị áp lực, áp suất làm việc và vật liệu chế tạo thiết bị (thép X18H10T). Việc lựa chọn đúng vật liệu không chỉ chống ăn mòn mà còn đảm bảo an toàn trong suốt vòng đời của thiết bị. Một thiết kế cơ khí tối ưu sẽ cân bằng giữa hiệu suất truyền khối và chi phí chế tạo, lắp đặt.

4.1. Phương pháp tính toán đường kính và chiều cao tháp

Đường kính tháp được tính riêng cho đoạn luyện và đoạn chưng do lưu lượng hơi ở hai đoạn này khác nhau, sau đó chọn đường kính lớn hơn hoặc chuẩn hóa. Vận tốc hơi làm việc được xác định bằng một phần của vận tốc ngập lụt, thường tính theo công thức Souders-Brown. Tài liệu đã tính toán đường kính đoạn luyện là 0.833 m và đoạn chưng là 0.768 m, sau đó chuẩn hóa về D = 0.6 m (có thể do điều chỉnh vận tốc thực tế). Chiều cao tháp được tính bằng công thức: H = (Ntt - 1) * h + Hđáy + Hđỉnh, với Ntt là số mâm thực tế và h là khoảng cách mâm.

4.2. Thiết kế chi tiết mâm xuyên lỗ và ống chảy chuyền

Thiết kế mâm xuyên lỗ là một phần quan trọng. Các thông số chính bao gồm: tiết diện tự do (tỷ lệ diện tích lỗ so với diện tích mâm, thường từ 8-15%), đường kính lỗ (dl = 3 mm), và chiều cao gờ chảy tràn (hgờ = 30 mm). Số lượng lỗ trên mâm được tính toán để đạt được tiết diện tự do mong muốn. Ống chảy chuyền được thiết kế để đảm bảo lỏng di chuyển xuống mâm dưới một cách ổn định mà không gây cản trở cho dòng hơi đi lên, đồng thời duy trì một mức lỏng cần thiết trên mâm.

4.3. Lựa chọn vật liệu và tính toán bề dày thiết bị theo tiêu chuẩn

Việc lựa chọn vật liệu chế tạo thiết bị là thép không gỉ X18H10T đảm bảo khả năng chống ăn mòn và độ bền cơ học. Bề dày thân tháp được tính theo công thức cho vỏ trụ chịu áp suất trong, có xét đến hệ số bền mối hàn và hệ số bổ sung do ăn mòn. Mặc dù tháp làm việc ở áp suất thường, tính toán vẫn phải kể đến áp suất thủy tĩnh của cột lỏng. Kết quả tính toán cho ra bề dày yêu cầu là 1.121 mm và được làm tròn theo tiêu chuẩn lên S = 2 mm để đảm bảo an toàn.

V. Tối ưu vận hành và các thiết bị phụ trong hệ thống

Một hệ thống chưng cất phân đoạn hoàn chỉnh không chỉ có tháp chưng cất mà còn bao gồm nhiều thiết bị phụ trợ quan trọng. Việc thiết kế và lựa chọn đúng các thiết bị này quyết định đến sự ổn định và hiệu quả của toàn bộ quá trình vận hành tháp chưng cất. Thiết bị trao đổi nhiệt đóng vai trò trung tâm, bao gồm thiết bị ngưng tụ (condenser) sản phẩm đỉnh và bình đun (reboiler) sản phẩm đáy. Thiết bị ngưng tụ phải có đủ diện tích truyền nhiệt để hóa lỏng toàn bộ dòng hơi từ đỉnh tháp, trong khi bình đun phải cung cấp đủ năng lượng để tạo ra dòng hơi cần thiết. Ngoài ra, hệ thống còn cần các thiết bị như bơm để cấp liệu và hồi lưu, các bồn chứa nguyên liệu và sản phẩm. Toàn bộ hệ thống này được kết nối và kiểm soát thông qua một hệ thống điều khiển tự động (DCS/PLC). Việc lập sơ đồ P&ID hệ thống chưng cất (Piping and Instrumentation Diagram) là bước không thể thiếu, mô tả chi tiết đường ống, vị trí thiết bị, van, và các điểm đo lường, kiểm soát (nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, nồng độ). Một nhà thầu EPC hệ thống hóa chất có kinh nghiệm sẽ dựa vào sơ đồ này để thi công, lắp đặt và chạy thử hệ thống.

5.1. Thiết kế thiết bị ngưng tụ và thiết bị đun sôi Reboiler

Trong đồ án, thiết bị ngưng tụ được chọn là loại vỏ-ống nằm ngang, với nước lạnh đi trong ống và hơi Metanol ngưng tụ bên ngoài. Việc tính toán diện tích truyền nhiệt dựa trên tải nhiệt Qnt đã xác định ở phần cân bằng năng lượng. Tương tự, bình đun (reboiler) cũng thường là loại vỏ-ống, nhận nhiệt từ hơi nước hoặc dầu tải nhiệt để đun sôi một phần dòng lỏng từ đáy tháp, tạo ra dòng hơi quay trở lại tháp. Thiết kế đúng kích thước cho hai thiết bị này là yếu tố sống còn để tháp hoạt động đúng công suất.

5.2. Vai trò của hệ thống điều khiển tự động DCS PLC

Để duy trì nồng độ sản phẩm đỉnh và đáy ổn định, hệ thống điều khiển tự động (DCS/PLC) sẽ liên tục giám sát và điều chỉnh các biến số quá trình. Các vòng điều khiển chính bao gồm: điều khiển nhiệt độ ở một mâm nhất định (thường liên quan đến nồng độ), điều khiển mức lỏng ở đáy tháp và trong bình hồi lưu, điều khiển áp suất tháp, và điều khiển tỷ số hồi lưu. Một hệ thống điều khiển tốt giúp tự động hóa vận hành, giảm sai sót của con người và tối ưu hóa năng lượng chưng cất.

5.3. Xây dựng sơ đồ P ID cho hệ thống chưng cất Metanol

Sơ đồ P&ID hệ thống chưng cất là bản vẽ kỹ thuật chi tiết nhất, là ngôn ngữ chung giữa các kỹ sư quy trình, cơ khí, và điều khiển. Nó thể hiện tất cả các đường ống, kích thước ống, vật liệu, các loại van (van cầu, van cổng, van điều khiển), các thiết bị đo (cảm biến nhiệt độ, áp suất, lưu lượng), và logic điều khiển. Một sơ đồ P&ID rõ ràng và chính xác là chìa khóa để lắp đặt, vận hành và bảo trì hệ thống một cách an toàn và hiệu quả.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về sản phẩm 1. Methanol Methanol còn được gọi là rượu gỗ hay ancol metylic, có công thức hóa học là CH3OH. Là chất lỏng không màu, dễ bay hơi và rất độc. Các thông số của methanol: - Phân tử lượng: 32,04 g/mol.

- Khối lượng riêng: ρ = 0,7918 g/cm3 = 791,8 kg/m3. - Nhiệt độ nóng chảy: -97ºC (175,6 K). Methanol được dùng làm chất chống đông, làm dung môi, làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong,. Methanol được sinh ra từ sự trao đổi chất yếm khí của 1 vài vi sinh vật.

Kết quả sẽ có 1 lượng nhỏ hơi Methanol được hình thành trong không khí. Và sau vài ngày không khí có chứa Methanol sẽ bị oxy hóa bởi O2 dưới tác dụng của ánh sáng thành CO2 và H2O theo phương trình: 2CH3OH + 3O2 2CO2 + 4H2O Hiện nay Methanol được sản xuất trực tiếp bằng cách tổng hợp trực tiếp từ H2 và CO, gia nhiệt ở áp suất thấp. Nước Nước là chất chiếm phần lớn trên trái đất (3/4 diện tích trái đất là nước biển) và nước rất cần thiết cho sự sống. Khi ở điều kiện bình thường nước là chất lỏng không màu, không mùi, không vị.

8 Đồ án kỹ thuật thực phẩm GVHD: Nguyễn Hữu Quyền Khi ở trạng thái rắn nó có thể tồn tại ở 5 dạng tinh thể khác nhau. Các thông số của nước:  Phân tử lượng: 18 g/mol.  Khối lượng riêng d4ºc: 1 g/ml.  Nhiệt độ nóng chảy:0 ºC.

Nước là dung môi phân cực, có khả năng hòa tan nhiều chất và là dung môi rất quan trọng trong kỹ thuật hóa học. Hỗn hợp methanol – nước Bảng 1: Bảng cân bằng lỏng – hơi cho hỗn hợp Methanol – Nước ở 1 atm. 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 Với: x: là thành lỏng y: là thành phần hơi 1.2 Quá trình và thiết bị chưng cất 1. Khái niệm chưng cất Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của hỗn hợp chất lỏng cũng như 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.

Thay vì đưa vào trong hỗn hợp một pha mới để tạo tiếp xúc giữa 2 pha như trong quá trình hấp thụ hay nhả khí, thì trong quá trình chưng cất pha mới được tạo nên bằng sự bốc hơi hoặc ngưng tụ. 9 Đồ án kỹ thuật thực phẩm GVHD: Nguyễn Hữu Quyền Trong trường hợp đơn giản nhất có thể cô đặc và chưng cất không khác gì nhau, tuy nhiên giữa 2 quá trình vẫn có một sự khác biệt nho nhỏ đó là trong quá trình chưng cất dung môi và chất tan đều bay hơi (điều đó có nghĩa là các cấu tử đều hiện diện rong cả hai pha nhưng với tỷ lệ khác nhau), còn trong quá trình cô đặc chỉ có dung môi bay hơi còn chất tan thì không bay hơi. Sau quá trình chưng cất ta sẽ thu được nhiều cấu tử và thường thì hệ có bao nhiêu cấu tử ta sẽ thu được bấy nhiêu sản phẩm. Chẳng hạn như hệ có 2 cấu tử thì ta sẽ thu được 2 sản phẩm: Sản phẩm đỉnh: chủ yếu là cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần ít các cấu tử có độ bay hơi bé Sản phẩm đáy: chủ yếu gồm các cấu tử có độ bay hơi bé và một phần ít cấu tử có độ bay hơi lớn VD: đối với hệ Methanol – nước thì:  Sản phẩm đỉnh chủ yếu là methanol.

 Sản phẩm đáy chủ yếu là nước. Các phương pháp chưng cất  Phân loại theo áp suất làm việc - Áp suất thấp - Áp suất cao - Áp suất thường  Phân loại theo nguyên lý làm việc - Chưng đơn giản - Chưng bằng hơi nước trực tiếp - Chưng cất đa cấu tử  Phân loại theo phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp 10 Đồ án kỹ thuật thực phẩm GVHD: Nguyễn Hữu Quyền - Cấp nhiệt trực tiếp - Cấp nhiệt gián tiếp 1. Thiết bị chưng cất Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để tiến hành chưng cất. Tuy nhiên về các yêu cầu cơ bản thì vẫn giống nhau chẳng hạn như diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn.

Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta có loại tháp mâm, nếu pha lỏng phân tán vào pha khí ta có tháp chêm, tháp phun,. Sau đây sẽ khảo sát thử 2 loại thường dùng là tháp mâm và tháp chêm:  Tháp mâm: thân hình trụ, thẳng đứng pháo trong có gắn các mâm có cấu tạo khác nhau, trên đó pha lỏng và pha hơi dược cho tiếp xúc với nhau. Tùy theo cáu tạo đĩa ta có: + Tháp mâm chóp: trên mâm bố trí có chóp dạng tròn, chữ s,. + Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh.

 Tháp chêm (tháp đệm): tháp có hình trụ, gồm nhiều mặt nối với nhau bằng mặt bích hay hàn. Vật chêm được cho vào tháp theo một trong hay phương pháp là xếp ngẫu nhiên hoặc xếp thứ tự. Bảng 2: So sánh ưu và nhược điểm của các loại tháp: Tháp chêm Tháp mâm chóp Tháp mâm xuyên lỗ Ưu điểm - Cấu tạo đơn giản - Khá ổn định. - Trở lực tương đối - Trở lực thấp.

- Hiệu xuất cao. - Làm việc được với chất - Hiệu suất khá cao. Nhược - Do có hiệu ứng thành - Trở lực lớn. - Không làm việc được điểm nên hiệu suất truyền khối - Kết cấu phức tạp.

với chất lỏng bẩn. - Kết cấu phức tạp. - Độ ổn định không cao, 11 Đồ án kỹ thuật thực phẩm GVHD: Nguyễn Hữu Quyền khó vận hành. - Thiết bị nặng nề.

Trong đồ án này ta sử dụng tháp mâm xuyên lỗ để chưng cất hệ Methanol – Nước. Chương 2: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 2.1 Thuyết minh quy trình Hỗn hợp Methanol – nước có nồng độ nhập liệu Methanol 28% ( theo khối lượng), nhiệt độ khoảng 28ºC tại bình chứa nguyên liệu được máy bơm bơm lên bồn cao vị. Từ bồn cao vị sẽ được đưa đến thiết bị trao đổi nhiệt để trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy. Sau đó hỗn hợp được gia nhiệt đến độ sôi trong thiết bị đun sôi dòng nhập liệu.

Sau khi gia nhiệt sẽ được đưa vào tháp chưng cất ở đĩa nhập liệu. Trên đĩa nhập liệu thì chất lỏng được trộn với với phần lỏng từ đoạn luyện của tháp chảy xuống. Trong tháp, hơi sẽ đi từ dưới lên và gặp chất lỏng từ trên xuống. Ở đây sẽ có sự tiếp xúc và trao đổi giữa 2 pha với nhau (pha lỏng và pha hơi).

Càng lên trên nhiệt độ sẽ càng thấp nên khi hơi đi qua các đĩa từ dưới lên thì các cấu tử có nhiệt độ sôi cao là nước sẽ ngưng tụ và cuối cùng trên đỉnh tháp ta sẽ thu được hỗn hợp có cấu tử methanol chiếm phần trăm nhiều hơn (có nồng độ 95% khối lượng). Sau đó hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ và được ngưng tụ hoàn toàn. Một phần của chất lỏng ngưng tụ được sẽ được hoàn lưu trở về tháp ở đĩa trên cùng. Phần còn lại sẽ được làm nguôi đến 40ºC sau đó được đưa vào bình chứa sản phẩm đỉnh.

Một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp sẽ bốc hơi và còn lại các cấu tử có nhiệt độ sôi cao trong lỏng ngày càng tăng. Cuối cùng, ta sẽ thu được hỗn hợp lỏng hầu hết là cấu tử khó bay hơi (nước) ở đáy tháp. Hỗn hượp lỏng ở đáy tháp sẽ có nồng độ Methanol là 1,5% khối lượng, còn lại sẽ là nước. Dung dịch lỏng ở đáy tháp khi đi ra khỏi tháp sẽ đi vào thiết bị trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu sau đó sẽ được đưa qua bồn chứa sản phẩm đáy.

12 Đồ án kỹ thuật thực phẩm GVHD: Nguyễn Hữu Quyền Hệ thống sẽ làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là Methanol và sản phẩm đáy là nước sau khi trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu ở nhiệt độ 60ºC.2 Sơ đồ quy trình Hỗn hợp Methanol – nước Bồn cao vị Trao đổi nhiệt Gia nhiệt Tháp chưng cất Trao đổi nhiệt Hỗn hợp Methanol Nước Ngưng tụ Trao đổi nhiệt Hoàn lưu về đĩa Bình chứa sản Bồn chứa sản phẩm đáy trên cùng phẩm đỉnh 13 Đồ án kỹ thuật thực phẩm GVHD: Nguyễn Hữu Quyền Chú thích các ký hiệu trong quy trình: 1. Bồn cao vị 3. Thiết bị đun sôi nhập liệu 4. Tháp chưng luyện 6.

Thiết bị ngưng tụ 7. Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 8. Bồn chứa sản phẩm đỉnh 9. Bình phân phối 10.

Nồi đun sản phẩm đáy 11. Bồn chứa nhập liệu 12. Bồn chứa sản phẩm đáy 14. Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy CHƯƠNG 3: TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT 3.1 Các thông số ban đầu Tháp mâm xuyên lỗ.

Thiết bị hoạt động liên tục, cấp nhiệt gián tiếp ở đáy tháp. Hỗn hợp:  Methanol: CH3OH MR = 32 (g/mol)  Nước: H2O MN = 18 (g/mol) Các thông số:  Năng suất nhập liệu: 1800Kg hỗn hợp/h  Nồng độ nhập liệu: ̅ F = 28% (kg Methanol/kg hỗn hợp)  Nồng độ sản phẩm đỉnh: ̅ D = 95% (kg Methanol/kg hỗn hợp)  Nồng độ sản phẩm đáy: ̅ W = 1,5 % (kg Methanol/kg hỗn hợp)  Chọn: 14 Đồ án kỹ thuật thực phẩm GVHD: Nguyễn Hữu Quyền + Nhiệt độ nhập liệu ban đầu: tBĐ = 28ºC + Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội: tLN = 60ºC + Nhiệt độ dòng nước lạnh đi vào: tV = 28ºC + Nhiệt độ dòng nước lạnh đi ra: tR = 40ºC + Trạng thái nhập liệu vào tháp chưng cất là trạng thái lỏng sôi  Các ký hiệu: GF , F: suất lượng hỗn hợp đầu vào, kmol/h GD , D: suất lượng sản phẩm đỉnh, kmol/h GW , W: suất lượng sản phẩm đáy, kmol/h L: lượng chất lỏng hồi lưu, kmol/h yi: nồng độ phần mol của pha hơi ứng với nồng độ phần mol xi của pha lỏng, kmol/kmol y*: nồng độ phần mol cân bằng của pha hơi ứng với nồng độ phân mol xi của pha lỏng, kmol/kmol 3.2 Cân bằng vật chất 3. Nồng độ mol của Methanol trong tháp ̅ xF = = = 0,1795 (phần mol Methanol) ̅ ̅ ̅ xD = ̅ = = 0,9144 (phần mol Methanol) ̅ ̅ xW = ̅ ̅ = =0,0085(phần mol Methanol) Từ số liệu của bảng 1 ta xây dựng được đồ thị t-x, y cho hệ Methanol – nước 15 Đồ án kỹ thuật thực phẩm GVHD: Nguyễn Hữu Quyền Đồ thị 1: đồ thị t – x, y cho hệ Methanol – nước Ta có khối lượng trung bình dòng nhập liệu: MF = = = 20,513 kg/kmol F= 3.