Tài liệu Thiết kế tháp chưng cất loại mâm chóp để chưng cất hỗn hợp axit axetic nước

Đồ án môn học QT & TB Tháp chưng cất mâm chóp Axit axetic – Nước GVHD : Hồng Minh Nam SVTH : Mai Thị Ngọc Hạ Đại học Quốc gia TpHCM Trường Đại học Bách Khoa Khoa Công nghệ Hóa học & Dầu khí BỘ MÔN MÁY & THIẾT BỊ — ™ ˜ – — ™ ˜ – ĐỒ ÁN MÔN HỌC: THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT LOẠI MÂM CHÓP ĐỂ CHƯNG CẤT HỖN HỢP AXIT AXETIC - NƯỚC CBHD: Sinh viên: MSSV: Lớp: Ngành : Thầy HỒNG MINH NAM MAI THỊ NGỌC HẠ 60500799 HCO5KSTN HÓA HỮU CƠ Năm học : 2008 - 2009 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN I . LÝù THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT 1 . Phương pháp chưng cất 2 . Thiết bị chưng cất: 1 Đồ án môn học QT & TB Tháp chưng cất mâm chóp Axit axetic – Nước GVHD : Hồng Minh Nam SVTH : Mai Thị Ngọc Hạ II . GIỚI THIỆU SƠ BỘ NGUYÊN LIỆU 1 . Acid axetic 2 . Nước 3 . Hỗn hợp Acid axetic – Nước CHƯƠNG 2 : QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CHƯƠNG 3 : CÂN BẰNG VẬT CHẤT I. CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU II. XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG SẢN PHẨM ĐỈNH VÀ ĐÁY III. XÁC ĐỊNH TỶ SỐ HỒN LƯU LÀM VIỆC IV. XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG MOL CỦA CÁC DÒNG PHA CHƯƠNG 4 : CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG CHƯƠNG 5 : TÍNH TỐN THIẾT BỊ CHÍNH I. ĐƯỜNG KÍNH THÁP: 1. Đường kính đoạn luyện 2. Đường kính đoạn chưng II. CHIỀU CAO THÁP III. TÍNH TỐN CHÓP VÀ ỐNG CHẢY CHUYỀN IV. TRỞ LỰC CỦA THÁP CHƯƠNG 6 : TÍNH TỐN CƠ KHÍ I. TÍNH CHIỀU DÀY THÂN THÁP II. TÍNH ĐÁY, NẮP THIẾT BỊ III. TÍNH ĐƯỜNG KÍNH VÀ BULON ỐNG DẪN 1. Ống dẫn hơi vào thiết bị ngưng tụ 2. Ống dẫn dòng chảy hồn lưu 3. Ống dẫn dòng nhập liệu 4. Ống dẫn dòng sản phẩm đáy 5. Ống dẫn từ nồi đun qua tháp CHƯƠNG 7 : TÍNH TỐN THIẾT BỊ PHỤ I. THIẾT BỊ ĐUN SÔI ĐÁY THÁP II. THIẾT BỊ LÀM NGUỘI SẢN PHẨM ĐÁY III. THIẾT BỊ NGƯNG TỤ SẢN PHẨM ĐỈNH IV. THIẾT BỊ ĐUN SÔI DÒNG NHẬP LIỆU V. BỒNG CAO VỊ VI. BƠM CHƯƠNG 8 : TÍNH GIÁ THÀNH THIẾT BỊ TÀI LIỆU THAM KHẢO 2 Đồ án môn học QT & TB Tháp chưng cất mâm chóp Axit axetic – Nước GVHD : Hồng Minh Nam SVTH : Mai Thị Ngọc Hạ LỜI MỞ ĐẦU Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển và cùng với nó là nhu cầu ngày càng cao về độ tinh khiết của các sản phẩm. Vì thế, các phương pháp nâng cao độ tinh khiết luôn luôn được cải tiến và đổi mới để ngày càng hồn thiện hơn, như là: cô đặc, hấp thụ, chưng cất, trích ly,… Tùy theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có sự lựa chọn phương pháp phù hợp. Đối với hệ Axit axetic – Nước là 2 cấu tử tan lẫn hồn tồn, ta phải dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết. Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị là một môn học mang tính tổng hợp trong quá trình học tập của các kỹ sư Công nghệ Hóa học tương lai. Môn học giúp sinh viên giải quyết nhiệm vụ tính tốn cụ thể về: quy trình công nghêä, kết cấu, giá thành của một thiết bị trong sản xuất hóa chất thực phẩm. Đây là bước đầu tiên để sinh viên vận dụng những kiến thức đã học của nhiều môn học vào giải quyết những vấn đề kỹ thuật thực tế một cách tổng hợp. Nhiệm vụ của Đồ án này là thiết kế hệ thống chưng cất Nước – Axit axetic có năng suất là 0,5m3/h, nồng độ nhập liệu là 8%(kg axit/kg hỗn hợp), nồng độ sản phẩm đỉnh là 95,5%(kg nước/kg hỗn hợp), nồng độ sản phẩm đáy là 30%(kg axit/kg hỗn hợp), tháp làm việc ở áp suất thường. CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN I. LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT : 1. Khái niệm: 3 Đồ án môn học QT & TB Tháp chưng cất mâm chóp Axit axetic – Nước GVHD : Hồng Minh Nam SVTH : Mai Thị Ngọc Hạ Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của một 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 một nhiệt độ, áp suất hơi bão hòa 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. Trong trường hợp đơn giản nhất, chưng cất và cô đặc không khác gì nhau, tuy nhiên giữa hai quá trình này có một ranh giới cơ bản 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 2 cấu tử thì ta thu được 2 sản phẩm:  Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần rất ít các 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 Nước – Axit axetic thì:  Sản phẩm đỉnh chủ yếu là nước.  Sản phẩm đáy chủ yếu là axit axetic. 2. Các phương pháp chưng cất: 2.1. Phân loại theo áp suất làm việc: - Áp suất thấp - Áp suất thường - Áp suất cao 2.2. Phân loại theo nguyên lý làm việc: - Chưng cất đơn giản - Chưng bằng hơi nước trực tiếp - Chưng cất 2.3. Phân loại theo phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp: - Cấp nhiệt trực tiếp - Cấp nhiệt gián tiếp Vậy: đối với hệ Nước – Axit axetic, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp nhiệt gián tiếp bằng nồi đun ở áp suất thường. Thiết bị chưng cất: Trong sản xuất 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 bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều này phụ thuộc vào mức độ phân tán của một lưu chất này vào lưu chất kia. 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 2 loại 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. Tùy theo cấu tạo của đĩa, ta có: Tháp mâm chóp : trên mâm bố trí có chóp dạng tròn, xupap, chữ s…, có rãnh xung quanh để pha khí đi qua và ống chảy chuyền có hình tròn. - Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh  Tháp chêm (tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối với nhau bằng mặt bích hay hàn. Vật chêm được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự. So sánh ưu nhược điểm của các loại tháp: 4 Đồ án môn học QT & TB Tháp chưng cất mâm chóp Axit axetic – Nước Ưu điểm Nhược điểm Tháp chêm - Cấu tạo khá đơn giản. - Trở lực thấp. - Làm việc được với chất lỏng bẩn nếu dùng đệm cầu có    của chất lỏng. GVHD : Hồng Minh Nam SVTH : Mai Thị Ngọc Hạ Tháp mâm xuyên lỗ - Trở lực tương đối thấp. - Hiệu suất khá cao. - Làm việc được với chất lỏng bẩn. - Kết cấu khá phức tạp. - Do có hiệu ứng thành  hiệu suất truyền khối thấp. - Độ ổn định không cao, khó vận hành. - Do có hiệu ứng thành  khi tăng năng suất thì hiệu ứng thành tăng  khó tăng năng suất. - Thiết bị khá nặng nề. Tháp mâm chóp - Khá ổn định. - Hiệu suất cao - Có trở lực lớn. - Tiêu tốn nhiều vật tư, kết cấu phức tạp. Vậy ta sử dụng tháp mâm chóp để chưng cất hỗn hợp AXIT AXETIC – NƯỚC II. GIỚI THIỆU SƠ BỘ VỀ TÍNH CHẤT NGUYÊN LIỆU : 1. Axit axetic: 1.1. Tính chất: Axit axetic nóng chảy ở 16,6 oC, điểm sôi 118oC, hỗn hợp trong nước với mọi tỷ lệ. Trong quá trình hỗn hợp với nước có sự co thể tích, với tỷ trọng cực đại, chứa 73% axit axetic (D : 1,078 và 1,0553 đối với axit thuần khiết). Người ta không thể suy ra được hàm lượng axit axetic trong nước từ tỷ trọng của nó, ngoại trừ đối với các hàm lượng dưới 43%. Tính ăn mòn kim loại:  Axit axetic ăn mòn sắt.  Nhôm bị ăn mòn bởi axit lỗng, nó đề kháng tốt đối với axit axetic đặc và thuần khiết. Đồng và chì bị ăn mòn bởi axit axetic với sự hiện diện của không khí.  Thiếc và một số loại thép nikel – crom đề kháng tốt đối với axit axetic. Axit axetic thuần khiết còn gọi là axit glaxial bởi vì nó dễ dàng đông đặc kết tinh như nước đá ở dưới 17oC, đước điều chế chủ yếu bằng sự oxy hóa đối với andehit axetic. Không màu sắc, vị chua, tan trong nước và cồn etylic. 1.2. Điều chế: Axit axetic được điều chế bằng cách: 1) Oxy hóa có xúc tác đối với cồn etylic để biến thành andehit axetic, là một giai đoạn trung gian. Sự oxy hóa kéo dài sẽ tiếp tục oxy hóa andehit axetic thành axit axetic. CH3CHO + ½ O2 = CH3COOH C2H5OH + O2 = CH3COOH + H2O 2) Oxy hóa andehit axetic được tạo thành bằng cách tổng hợp từ acetylen. Sự oxy hóa andehit được tiến hành bằng khí trời với sự hiện diện của coban axetat. Người ta thao tác trong andehit axetic ở nhiệt độ gần 80 oC để ngăn chặn sự hình thành peroxit. Hiệu suất đạt 95 – 98% so với lý thuyết. Người ta đạt được như thế rất dễ dàng sau khi chế axit axetic kết tinh được. Coban axetat ôû 80 C CH3CHO + ½ O2       CH3COOH o 5 Đồ án môn học QT & TB Tháp chưng cất mâm chóp Axit axetic – Nước GVHD : Hồng Minh Nam SVTH : Mai Thị Ngọc Hạ 3) Tổng hợp đi từ cồn metylic và Cacbon oxit. Hiệu suất có thể đạt 50 – 60% so với lý thuyết bằng cách cố định cacbon oxit trên cồn metylic qua xúc tác. Nhiệt độ từ 200 – 500oC, áp suất 100 – 200atm: CH3OH + CO  CH3COOH với sự hiện diện của metaphotphit hoặc photpho – vonframat kim loại 2 và 3 hóa trị (chẳng hạn sắt, coban). 1.3. Ứng dụng: Axit axetic là một axit quan trọng nhất trong các loại axit hữu cơ. Axit axetic tìm được rất nhiều ứng dụng vì nó là loại axit hữu cơ rẻ tiền nhất. Nó được dùng để chế tạo rất nhiều hợp chất và ester. Nguồn tiêu thụ chủ yếu của axit axetic là:  Làm dấm ăn (dấm ăn chứa 4,5% axit axetic).  Làm đông đặc nhựa mủ cao su.  Làm chất dẻo tơ sợi xenluloza axetat – làm phim ảnh không nhạy lửa.  Làm chất nhựa kết dính polyvinyl axetat.  Làm các phẩm màu, dược phẩm, nước hoa tổng hợp.  Axetat nhôm dùng làm chất cắn màu (mordant trong nghề nhuộm)  Phần lớn các ester axetat đều là các dung môi, thí dụ: izoamyl axetat hòa tan được nhiều loại nhựa xenluloza. 2. Nước: Trong điều kiện bình thường: nước là chất lỏng không màu, không mùi, không vị nhưng khối nước dày sẽ có màu xanh nhạt. Khi hóa rắn nó có thể tồn tại ở dạng 5 dạng tinh thể khác nhau. Tính chất vật lý:  Khối lượng phân tử : 18 g / mol  Khối lượng riêng d40 c : 1 g / ml  Nhiệt độ nóng chảy : 00C  Nhiệt độ sôi : 1000 C Nước là hợp chất chiếm phần lớn trên trái đất (3/4 diện tích trái đất là nước biển) và rất cần thiết cho sự sống. Nước là dung môi phân cực mạnh, có khả năng hồ tan nhiều chất và là dung môi rất quan trọng trong kỹ thuật hóa học. 3. Hỗn hợp Acid acetic – Nước: Ta có bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Acid acetic Nước ở 760 mmHg: x(%phân mol) y(%phân mol) t(0C) 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 9.2 16.7 30.3 42.5 53 62.6 71.6 79.5 86.4 93 100 118.4 115.4 113.8 110.1 107.5 105.8 104.4 103.3 102.1 101.3 100.6 100 6 Đồ án môn học QT & TB Tháp chưng cất mâm chóp Axit axetic – Nước GVHD : Hồng Minh Nam SVTH : Mai Thị Ngọc Hạ Hình12: Giản đồ x - y của hệ Axit axetic - Nước Hình 2: Giản đồ T – x,y của hệ Axit axetic–Nước 7 Đồ án môn học QT & TB Tháp chưng cất mâm chóp Axit axetic – Nước GVHD : Hồng Minh Nam SVTH : Mai Thị Ngọc Hạ CHƯƠNG 2 : QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ Chú thích các kí hiệu trong qui trình: 1. Bồn chứa nguyên liệu. 2. Bơm. 3. Bồn cao vị. 4. Lưu lượng kế. 5. Thiết bị đun sôi dòng nhập liệu. 6. Bẩy hơi. 7. Nhiệt kế. 8. Áp kế. 9. Tháp chưng cất. 10. Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh. 11. Bồn chứa sản phẩm đỉnh. 12. Thiết bị đun sôi đáy tháp. 13. Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy. 14. Bồn chứa sản phẩm đáy. Hỗn hợp Nước – Axit axetic có nồng độ nước 92% (theo phần khối lượng), nhiệt độ khoảng 0 27 C tại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3). Sau đó, hỗn hợp được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi trong thiết bị đun sôi dòng nhập liệu (5), rồi được đưa vào tháp chưng cất (9) ở đĩa nhập liệu. Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn luyện của tháp chảy xuống. Trong tháp, hơi đi từ dưới lên gặp chất lỏng từ trên xuống. Ở đây, có sự tiếp xúc và trao đổi giữa hai pha với nhau. Pha lỏng chuyển động trong phần chưng càng xuống dưới càng giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi tạo nên từ nồi đun (12) lôi cuốn cấu tử dễ bay hơi. Nhiệt độ càng lên trên càng thấp, nên khi hơi đi qua các đĩa từ dưới lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao là axit axetic sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử nước chiếm nhiều nhất (có nồng độ 99,5% phần khối lượng). Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ (10) và được ngưng tụ hồn tồn. Một phần của chất lỏng ngưng tụ được hồn lưu về tháp ở đĩa trên cùng. Một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp được bốc hơi, còn lại cấu tử có nhiệt độ sôi cao trong chất lỏng 8 Đồ án môn học QT & TB Tháp chưng cất mâm chóp Axit axetic – Nước GVHD : Hồng Minh Nam SVTH : Mai Thị Ngọc Hạ ngày càng tăng. Cuối cùng, ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng hầu hết là các cấu tử khó bay hơi (axit axetic). Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độ nước là 70% phần khối lượng, còn lại là axit axetic. Dung dịch lỏng ở đáy đi ra khỏi tháp vào nồi đun (12). Trong nồi đun dung dịch lỏng một phần sẽ bốc hơi cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại ra khỏi nồi đun đi qua thiết bị làm nguội sản phẩm đáy (13), được làm nguội đến 40 0C, rồi được đưa qua bồn chứa sản phẩm đáy (14). Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là nước được thải bỏ, sản phẩm đáy là axit axetic được giữ lại. 9 Đồ án môn học QT & TB Tháp chưng cất mâm chóp Axit axetic – Nước GVHD : Hồng Minh Nam SVTH : Mai Thị Ngọc Hạ 3 10 Khí khoâng ngöng P Nöôùc noùng Nöôùc laïnh Saû n phaå m ñænh T Doø ng hoài löu 11 9 x = 95,5 % 7 T Hôi ñoá t P = 2,5at 5 T 6 3 P 8 Nöôùc ngöng 12 Hôi ñoát P = 2,5at Saûn phaå m ñaùy Nu ?c Nöôùc ngöng 1 2 14 x = 70% t= 40C Nu ?c x = 92% t= 27C 13 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 B?n ch ? a s?n ph?m daùy Thieát bò laøm nguoäi saûn phaåm ñaùy Thieát bò ñun soâi ñaùy thaùp B?n ch? a s?n ph?m d?nh Thieát bò ngöng tuï saûn phaåm ñænh Thaùp chöng caát AÙp keá Nhieät keá Baãy hôi Thieát bò ñun soâi doøng nhaäp lieäu Löu löôïng keá Boàn cao vò Bôm Boàn chöùa nguyeân lieäu TEÂN GOÏI STT 1 1 1 1 1 1 1 3 2 1 2 1 2 1 ÑAËC TÍNH KYÕ THUAÄT SL 1 VAÄT LIEÄU Tröôøng Ñaïi hoïc Baùch Khoa Tp. Hoà Chí Minh Khoa Coâng ngheä Hoùa hoïc BOÄ MOÂN MAÙY VAØ THIEÁT BÒ Ñoà aùn moân hoïc : Quaù trình vaø Thieát bò THIEÁT KEÁ HEÄ THOÁ NG CHÖNG CAÁT AXIT AXETIC - NÖÔÙC DUØNG THAÙP MA M CHOÙP 10 SVTH Mai Th?Ng?c H? GVHD Hoaøng Minh Nam CNBM Vuõ Baù Minh Chöùc naêng Hoï teân Tæ leä QUY TRÌNH COÂNG NGHEÄ Chöõ kyù Baûn veõ soá 1/2 Ngaøy HT 10/10/08 Ngaøy BV 27/12/08 Đồ án môn học QT & TB Tháp chưng cất mâm chóp Axit axetic – Nước GVHD : Hồng Minh Nam SVTH : Mai Thị Ngọc Hạ CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT I. CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU : Chọn loại tháp là tháp mâm xuyên lỗ. Khi chưng luyện dung dịch axit axetic thì cấu tử dễ bay hơi là nước. Axit axetic : CH 3 COOH  M A  60 (g / mol)  Nöôùc : H 2 O  M N  18 (g / mol) Hỗn hợp:  Năng suất nhập liệu: GF = 0.5 (m3/h)  Nồng độ nhập liệu: xF = 92% (kg nước/ kg hỗn hợp)  Nồng độ sản phẩm đỉnh: xD = 99.5% (kg nước/ kg hỗn hợp)  Nồng độ sản phẩm đáy: xW = 70% (kg nước/ kg hỗn hợp)  Chọn:  Nhiệt độ nhập liệu: tFV = 27oC  Trạng thái nhập liệu là trạng thái lỏng sôi. với thiết bị đun sôi đáy tháp :  Aùp suất hơi đốt : Ph = 2.5at Đối với thiết bị làm nguội sản phẩm đáy :  Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi làm nguội: tWR = 40oC  Nhiệt độ dòng nước lạnh đi vào: tV = 27oC  Nhiệt độ dòng nước lạnh đi ra: tR = 35oC Đối với thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh :  Nhiệt độ dòng nước lạnh đi vào: tV = 27oC  Nhiệt độ dòng nước lạnh đi ra: tR = 60 ÷ 70oC  Các ký hiệu:  GF, F: suất lượng nhập liệu tính theo kg/h, kmol/h.  GD, D: suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo kg/h, kmol/h.  GW, W: suất lượng sản phẩm đáy tính theo kg/h, kmol/h.  xi, xi : nồng độ phần mol, phần khối lượng của cấu tử i. II. XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG SẢN PHẨM ĐỈNH và SẢN PHẨM ĐÁY THU ĐƯỢC Tra bảng 1.249, trang 310, [5]  Khối lượng riêng của nước ở 27oC: N = 996,4 (kg/m3) Tra bảng 1.2, trang 9, [5]  Khối lượng riêng của axit axetic ở 27oC: A = 1040,65 (kg/m3) Áp dụng trong công thức (1.2), trang 5, [5]: x 1 x 0,92 0.08  FN  FA    hh  N  A 996, 4 1040, 65  hh = 1000 (kg/m3) Năng suất nhập liệu : GF = 0,5 (m3/h)  1000 (kg/m3) = 500 (kg/h) G F  G D  GW G F x F  G D x D  GW xW Đun gián tiếp :   GW GF GD   x D  xW x F  xW x D  x F  GD  xF  xW 92  70 GF  500  372,88(kg / h) xD  xW 99,5  70 11 Đồ án môn học QT & TB Tháp chưng cất mâm chóp Axit axetic – Nước GVHD : Hồng Minh Nam SVTH : Mai Thị Ngọc Hạ  GW = GF – GD = 500 – 372,88 = 127,12 (kg/h) III. XÁC ĐỊNH TỈ SỐ HỒN LƯU LÀM VIỆC : 1. Nồng độ phần mol: xF 0,92 MN 18 xF    0,9746 (mol nước/ mol hỗn hợp) x F 1  x F 0,92 1  0,92   18 60 MN MA xW 0,70 MN 18 xW    0.8861 (mol nước/ mol hỗn hợp) xW 1  xW 0,70 1  0,70   18 60 MN MA xD 0,995 MN 18 xD    0,9985 (mol nước/ mol hỗn hợp) x D 1  x D 0,995 1  0,955   18 60 MN MA 2. Suất lượng mol tương đối của dòng nhập liệu: x  xW 0,9985  0,8861 f  D   1,27 xF  xW 0,9746  0,8861 3. Tỉ số hồn lưu làm việc: yF  xF Hình 1: Đồ thị cân bằng pha của hệ Nước – Axit axetic Dựa vào hình 1  yF* = 0,9819 12 Đồ án môn học QT & TB Tháp chưng cất mâm chóp Axit axetic – Nước Tỉ số hồn lưu tối thiểu: Rmin GVHD : Hồng Minh Nam SVTH : Mai Thị Ngọc Hạ x D  y F* 0,9985  0,9819  *  = 2,274 y F  x F 0,9819  0,9746 Tỉ số hồn lưu làm việc: R = 1,3Rmin + 0,3 = 3,2562 IV. XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG MOL CỦA CÁC DÒNG PHA : Coi lưu lượng mol của các dòng pha đi trong mỗi đoạn tháp (chưng và luyện) là không đổi. 1. Tại đỉnh tháp: nHD L Vì tại đỉnh tháp nồng độ phần mol của nước trong pha lỏng và pha hơi bằng nhau.  Khối lượng của pha hơi và pha lỏng tại đỉnh tháp là bằng nhau: MHD = MLD = xD. MN + (1 – xD). MA = 0,9985. 18 + (1 – 0,9985). 60 = 18,063 (kg/ kmol) Suất lượng khối lượng của dòng hơi tại đỉnh tháp: GHD = (R +1)GD = (3,2562 + 1). 372,88 = 1587,05 (kg/h) Suất lượng mol của dòng hơi tại đỉnh tháp: G HD 1587,05   87,862 (kmol/h) nHD= M HD 18,063 Suất lượng khối lượng của dòng hồn lưu: GL = RGD = 3,2562 . 372,88 = 1214.17(kg/h) Suất lượng mol của dòng hồn lưu: G 1214,17 L L   67,22 (kmol/h) M LD 18,063 2. Tại mâm nhập liệu: nHF nLF F nHF n’LF Khối lượng mol của dòng nhập liệu: MF = xF. MN + (1 – xF). MA = 0,9746.18 + (1 – 0,9746).60 = 19,067 (kg/kmol) Suất lượng mol của dòng nhập liệu: GF 500   26,223 (kmol/h) F= F  M F 19,067 Và: nLF = L = 67.22(kmol/h) n’LF = L + F = 67.22 + 26,223 = 93.443 (kmol/h) nHF = nHD = 87.862(kmol/h) 13 Đồ án môn học QT & TB Tháp chưng cất mâm chóp Axit axetic – Nước GVHD : Hồng Minh Nam SVTH : Mai Thị Ngọc Hạ 3. Tại đáy tháp: nHW nLW W Vì tại đáy tháp nồng độ phần mol của nước trong pha lỏng và pha hơi bằng nhau.  Khối lượng của pha hơi và pha lỏng tại đáy tháp là bằng nhau: MHW = MLW = xW. MN + (1 – xW). MA = 0,8861. 18 + (1 – 0,8861). 60 = 22,784 (kg/mol) Suất lượng mol của dòng sản phẩm đáy: G 127,12 W  W   5.58 (kmol/h) M LW 22,784 Và: nLW = n’LF = 67.22 (kmol/h) nHW = nHF = nHD = 87.862 (kmol/h) CHƯƠNG 4: CÂN BẰNG NHIỆT I. CÂN BẰNG NHIỆT CHO TỒN THÁP : Chọn hơi đốt là hơi nước ở 2,5at Tra bảng 1.251, trang 314, [5]:  Nhiệt hóa hơi: rH 2O = rn = 2189500 (J/kg)  Nhiệt độ sôi: t H O = tn = 126,25 (oC) Dòng sản phẩm tại đáy có nhiệt độ:  Trước khi vào nồi đun (lỏng): tS1 = 100,727 (oC)  Sau khi được đun sôi (hơi): tS2 = 100,966 (oC) Cân bằng nhiệt cho tồn tháp: Qđ + GFhFS = (R+1) GDrD + GDhDS + GWhWS + Qm Giả sử Qm = 0,05Qđ  0,95Qđ = (R+1) GDrD + GD(hDS – hFS) + GW(hWS – hFS) 2  hFS = cF.tFS = [ x F c N  (1  x F )c A ]tFS  hWS = cW.tWS = [ x W c N  (1  x W )c A ]tWS 14 Đồ án môn học QT & TB Tháp chưng cất mâm chóp Axit axetic – Nước GVHD : Hồng Minh Nam SVTH : Mai Thị Ngọc Hạ  hDS = cD.tDS = [ x D c N  (1  x D )c A ]tDS  rD = x D rN  (1  x D )rA Với xF = 0,9746  tFS = 100,1524 oC xW = 0,8861 tWS = 100,7272 oC xD = 0,9985  tDS = 100,009 oC 1.1. Nhiệt dung riêng: Tra bảng 1.249, trang 310, [5] Nhiệt dung riêng của nước ở 100,009 oC = 4,220012 (kJ/kg.K) Nhiệt dung riêng của nước ở 100,1524 oC = 4,220198 (kJ/kg.K) Nhiệt dung riêng của nước ở 100,7272oC = 4,220945 (kJ/kg.K) Tra bảng 1.154, trang 172, [5] Nhiệt dung riêng của axit axetic ở 100,009 oC = 2,430047 (kJ/kg.K) Nhiệt dung riêng của axit axetic ở 100,1524 oC = 2,4308 (kJ/kg.K) Nhiệt dung riêng của axit axetic ở 100,7272 oC = 2,433818 (kJ/kg.K) 1.2. Enthalpy:  hFS = ( 0,92 . 4,220198 + 0,08 . 2,4308 ) . 100,1524 = 408,326 (kJ/kg)  hWS = ( 0,70. 4,220945 + 0,30 . 2,433818 ) . 100,7272 = 371,161 (kJ/kg)  hDS = ( 0,995 . 4,220012 + 0,005 . 2,430047 ) . 100,009 = 421,144 (kJ/kg) 1.3. Nhiệt hóa hơi: Tra bảng 1.250, trang 312, [5] Nhiệt hóa hơi của nước ở 100,009 oC = rN = 2259,978 (kJ/kg) Dùng tốn đồ 1.65, trang 255, [5] Nhiệt hóa hơi của axit axetic ở 100,009oC = rA = 100 (Kcal/kg) = 418,6 (kJ/kg) Tra bảng 1.251, trang 314, [5] Nhiệt hóa hơi của nước ở 2,5 at = rH 2O = 2189,5 (kJ/kg) Nên: rD = 0,995 . 2259,978 + 0,005 . 418,6 = 2250,771 (kJ/kg) Nhiệt lượng cần cung cấp: Qđ = (R  1)G D rD  G D ( h DS  h FS )  G W ( h WS  h FS ) = 3760153,109 (kJ/h) 0,95 Nếu dùng hơi nước bão hòa (không chứa ẩm) để cấp nhiệt thì: Qđ = G H 2 O . rH 2O Q ñ Vậy lượng hơi nước cần dùng là : G H O  r = 1717,357(kg/h) H O 2 2 II. THIẾT BỊ LÀM NGUỘI SẢN PHẨM ĐÁY  Chọn: Nước làm lạnh đi trong ống với nhiệt độ vào tV = 27oC và nhiệt độ ra tR = 35oC.  Sản phẩm đáy đi ngồi ống với nhiệt độ vào tWS = 100,7272oC, nhiệt độ ra tWR = 40oC. Cân bằng nhiệt: Q = GW(hWS – hWR) = Gn (hR – hV) Nhiệt dung riêng của nước ở 40oC = 4,178 (kJ/kg.K) Nhiệt dung riêng của axit ở 40oC = 2,1(kJ/kg.K) Nên: hWR = (0,70. 4,178 + 0,30. 2,1). 40 = 142,184 (kJ/kg) Tra bảng 1.250, p312, ST I  Enthalpy của nước ở 27oC : hV = 113,13 (kJ/kg)  Enthalpy của nước ở 35oC : hR = 146,65 (kJ/kg) Lượng nhiệt trao đổi: Q = GW(hWS – hWR) = 29107,556 (kJ/h) Suất lượng nước lạnh cần dùng: G n  Q = 868,364 (kg/h) hR  hV III. THIẾT BỊ NGƯNG TỤ SẢN PHẨM ĐỈNH Chọn:  Nước làm lạnh đi trong ống với nhiệt độ vào tV = 27oC và nhiệt độ ra tR = 60 ÷ 70oC. 15 Đồ án môn học QT & TB Tháp chưng cất mâm chóp Axit axetic – Nước GVHD : Hồng Minh Nam SVTH : Mai Thị Ngọc Hạ  Dòng hơi tại đỉnh đi ngồi ống với nhiệt độ ngưng tụ tngưng = 100,009 (oC) Cân bằng nhiệt: Qnt = (R + 1)GDrD = Gn (hR – hV) Nên: Qnt = (R + 1)DrD = 3572090,293 (kJ/h) Tra bảng 1.250, p312, ST I  Enthalpy của nước ở 27oC : hV = 113,13 (kJ/kg)  Enthalpy của nước ở 60oC : hR = 251,40 (kJ/kg) Q nt Lượng nước cần dùng: G n  = 25834 (kg/h) hR  hV IV. THIẾT BỊ ĐUN SÔI DÒNG NHẬP LIỆU  Chọn: Dòng nhập liệu đi trong ống trong với nhiệt độ vào t V = tFV = 27 oC và nhiệt độ ra tR = tFS = 100,1524 oC.  Hơi ngưng tụ đi trong ống ngồi có áp suất 2,5at:  Nhiệt hóa hơi: rH O = rn = 2189500 (J/kg)  Nhiệt độ sôi: t H 2 O = tn = 126,25 (oC) Tra bảng 1.249, trang 310, [5]  Nhiệt dung riêng của nước ở 27oC = 4,178(kJ/kg.K) Tra bảng 1.154, trang 172, [5]  Nhiệt dung riêng của axit axetic ở 27 oC = 2,0311 (kJ/kg.K) 2  hFV = cF.tFV = [ x F c N  (1  x F )c A ]tFV = (0,92. 4,178 + 0,08. 2,0311). 27 = 108,17 (kJ/kg) Cân bằng nhiệt: Q = GF(hFS – hFV) = Gnrn Nên: Q = GF(hFS – hFV) = 500.(408,326 – 108,17) = 150078 (kJ/h) Lượng hơi đốt cần dùng: G n  Q = 68,544(kg/h) rn Chương 5 : TÍNH THIẾT BỊ CHÍNH (Tháp chóp) PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LÀM VIỆC : Phần cất : y  xD R 3,2562 0,9985 x  x R 1 R  1 3,2562  1 3,2562  1 = 0,765x + 0,2346 R f 1 f Phần chưng: y  R  1 x  R  1 xW  = 1.0634x – 0.05621 3,2562  1,27 1  1,27 x  0,8861 3,2562  1 3,2562  1 I. TÍNH ĐƯỜNG KÍNH THÁP: Dt  4Vtb g tb  0,0188 π.3600.ω tb (  y .ω y ) tb (m) (t2 tr181) Vtb :lượng hơi trung bình đi trong tháp (m3/h). tb :tốc độ hơi trung bình đi trong tháp (m/s). gtb : lượng hơi trung bình đi trong tháp (Kg/h). Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng và đoạn cất khác nhau.Do đó, đường kính đoạn chưng và đoạn cất cũng khác nhau . 1. ĐƯỜNG KÍNH ĐOẠN LUYỆN: a . Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện : g  g1 g tb  d (Kg/h) 2 16 Đồ án môn học QT & TB Tháp chưng cất mâm chóp Axit axetic – Nước GVHD : Hồng Minh Nam SVTH : Mai Thị Ngọc Hạ gd : lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (Kg/h). g1 : lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn cất (Kg/h).  Xác định gd : gd = D.(R+1) =20,64.(3,2562+1) =87,85 (Kmol/h) = 1587,05(Kg/h) Vì MthD = 18,063 (Kg/Kmol).  Xác định g1 : Từ hệ phương trình :  g1  G1  D   g1 . y1  G1 .x1  D.x D  g .r  g .r  11 d d (III.1) Với : G1 : lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn cất . r1 : ẩn nhiệt hố hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn cất rd : ẩn nhiệt hố hơi của hỗn hợp hơi đi ra ở đỉnh tháp . * Tính r1 : t1 = tF = 100,1524oC , Tra bảng 1.251, trang 314 và 256,[5] ta có: Aån nhiệt hố hơi của nước : rN1 = 40696,27 (KJ/kg) . Aån nhiệt hố hơi của axit : ra1 = 23384,14(KJ/kmol) Suy ra : r1 = rn1.y1 + (1-y1).ra1 = 23384,14 + 17312,13y1 (KJ/kmol) * Tính rd : tD = 100.009oC , Tra bảng 1.251, trang 314 và 256,[5] ta có: Aån nhiệt hố hơi của nước : rNd = 40703,94(KJ/kmol) . Aån nhiệt hố hơi của axit : rad =23383,06(KJ/kmol) . Suy ra : rd = rnd.yD + (1-yD).rad =40703,94.0,999+ (1- 0,999).23383,06 = 40686,62(KJ/kmol) * x1 = xF = 0,9746 Giải hệ (III.1) , ta được : G1 = 67,934(Kmol/h) y1 = 0,9801 (phân mol) M1=21,0643(kg/kmol) g1 = 88,576(Kmol/h) =1865,792(Kg/h) Vậy : gtb = 1587,05  1865,792  1726,421 (Kg/h) 2 b . Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp : Tốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp với mâm chóp có ống chảy chuyền :  gh  0.032.  LL  HL Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng trong phần luyện: Nồng độ phần mol trung bình của pha lỏng trong phần luyện: x  x F 0,9985  0,9746 xL  D  = 0,9865 (mol nước/ mol hỗn hợp) 2 2 Dựa vào hình 2  Nhiệt độ trung bình của pha lỏng trong phần luyện: TLL = 100,08 (oC) Nồng độ phần khối lượng trung bình của pha lỏng trong luyện: x L  0,9575 (kg nước/ kg hỗn hợp) Tra bảng 1.249, trang 310, [5]  Khối lượng riêng của nước ở 100,08oC: NL = 958,341 (kg/m3) 17 Đồ án môn học QT & TB Tháp chưng cất mâm chóp Axit axetic – Nước GVHD : Hồng Minh Nam SVTH : Mai Thị Ngọc Hạ Tra bảng 1.2, trang 9, [5]  Khối lượng riêng của axit axetic ở 100,08oC: AL = 957,856 (kg/m3) Áp dụng trong công thức (1.2), trang 5, [5]: x 1  xL 1 0,9575 1  0,9575  L     LL = 958,32 (kg/m3)  LL  NL  AL 958,341 957,856 1.1. Khối lượng riêng trung bình của pha hơi trong phần luyện: Nồng độ trung bình của pha hơi trong phần luyện: yL = 0,765xL + 0,2346 = 0,765 . 0,9865 + 0,2346 = 0,98927 Dựa vào hình 2  Nhiệt độ trung bình của pha hơi trong phần luyện: THL = 100,092 (oC) Khối lượng mol trung bình của pha hơi trong phần luyện : MHL = yL. MN + (1 – yL). MA = 0,98927.18 + (1 – 0,98927). 60 = 18,45 (kg/kmol) Khối lượng riêng trung bình của pha hơi trong phần luyện: PM HL 1 18,45  HL   22,4 = 0,6027 (kg/m3) RTHL  (100,092  273) 273 Suy ra :  gh  0,05. 958,32 0.6027 =1.994(m/s) Để tránh tạo bọt ta chọn tốc độ hơi trung bình đi trong tháp :  y  0,8. gh  0,8.1,994 = 1,595(m/s) Vậy :đường kính đoạn cất : Dcất = 0,0188. 1726,421 0.6027.1,595 = 0,8 (m). 2. ĐƯỜNG KÍNH ĐOẠN CHƯNG : a . Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng : g , n  g ,1 (Kg/h) 2 g’n : lượng hơi ra khỏi đoạn chưng (Kg/h). g’1 : lượng hơi đi vào đoạn chưng (Kg/h).  Xác định g’n : g’n = g1 = 1865,792 (kg/h)  Xác định g’1 : Từ hệ phương trình : g , tb  G '1  g '1  W  ' ' G 1 .x'1  g 1 . yW  W .xW  g ' .r '  g ' .r '  g .r  1 1 n n 11 (III.2) Với : G’1 : lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn chưng . r’1 : ẩn nhiệt hố hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng. * Tính r’1 : xW =0,8861 tra đồ thị cân bằng của hệ ta có : yW =0,922 Suy ra :Mtbg’ =18.yW +(1-yW).60= 21,276(Kg/kmol) t’1 = tW = 100,7272oC Tra bảng 1.251, trang 314 và 256, [5] Aån nhiệt hố hơi của nước : r’ N1 = 40576,26(KJ/kmol) . Aån nhiệt hố hơi của axit : r’ a1 = 23388,47(KJ/kmol) . 18 Đồ án môn học QT & TB Tháp chưng cất mâm chóp Axit axetic – Nước GVHD : Hồng Minh Nam SVTH : Mai Thị Ngọc Hạ * Suy ra : r’1 = r’n1.yW + (1-yW).r’a1 = 39235,61 (KJ/kmol) * Tính r1: r1 = 23384,14 + 17312,13y1 = 40351,76 (KJ/kmol) * W = 5,58 (Kmol/h) Giải hệ (III.2) , ta được : x’1 =0,9199(phân mol ) _ MtbG’ =21,363(kg/kmol) G’1 = 96,676(Kmol/h) g’1 = 91,096(Kmol/h) = 1946,086 (Kg/h) Vậy : g’tb = 1865,792  1946,086  1905,939 (Kg/h) 2 b . Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp : Tốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp với mâm chóp có ống chảy chuyền :  ' xtb  ' gh  0,032.  ' ytb Tính tốn tương tự như phần luyện ta có: LC =957,96(kg/m3) HC = 0,67906 (kg/m3) Suy ra :  ' gh  0,05. 957,96 0,67906 =1,878 (m/s) Để tránh tạo bọt ta chọn tốc độ hơi trung bình đi trong tháp :  ' y  0,8. ' gh  0,8.1,878 = 1,5024(m/s) Vậy :đường kính đoạn chưng : Dchưng= 0,0188. 1905,939 1,5024.0,67906 = 0,81(m) Kết luận :đường kính của tồn tháp  = 0,8 (m) Khi đó tốc độ làm việc thực ở : + Phần cất : lv = 0,0188 2.g tb 2 Dt . HL + Phần chưng :’lv =  0,0188 2.1726,241  1.582 (m/s). 0,8 2.0.6027 0,0188 2.g 'tb 2 Dt . ' HC 0,0188 2.1905,939   1,55 (m/s). 0,8 2.0,67906 II. TÍNH TỐN CHIỀU CAO THIẾT BỊ 1. XÁC ĐỊNH SỐ MÂM LÝ THUYẾT: Vẽ đồ thị xác định số mâm lý thuyết(gồm đường cân bằng và đường làm việc đoạn luyện đoạn chưng) Từ đồ thị : 19 Đồ án môn học QT & TB Tháp chưng cất mâm chóp Axit axetic – Nước GVHD : Hồng Minh Nam SVTH : Mai Thị Ngọc Hạ Phần chưng Số mâm lý thuyết : 7 Phần luyện Đường chưng y = 1,0643x – 0,05621 20