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.
3 3 - Khối lượng riêng: ρ = 0,7918 g/cm = 791,8 kg/m. - 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 O 2 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 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat 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 x 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 y 0 26,8 41,8 57,9 66,5 72,9 77,9 82,5 87 91,5 95,8 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 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat 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 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat 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 l Ưu điểm - Cấu tạo đơn giản - Khá ổn định. - Trở lực tương đố - 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 đượ điểm nên hiệu suất truyền khối - Kết cấu phức tạp. với chất lỏng bẩn.
- Kết cấu phức tạp. - Độ ổn định không cao, 11 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat 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 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat 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 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat 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: ̅ = 28% (kg Methanol/kg hỗn hợp) F Nồng độ sản phẩm đỉnh: ̅ = 95% (kg Methanol/kg hỗn hợp) D Nồng độ sản phẩm đáy: ̅ = 1,5 % (kg Methanol/kg hỗn hợp) W Chọn: 14 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat 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.