Thiết kế hệ thống chưng cất Nước – Axit axetic có năng suất là 3000 kg-h

Thông tin tài liệu

Chưng luyện Nước – Axit axetic GVHD: Nguyễn Văn Lục LỜI MỞ ĐẦU Khoa học kỹ thuật ngày phát triển với nhu cầu ngày cao độ tinh khiết sản phẩm Vì thế, phương pháp nâng cao độ tinh khiết luôn cải tiến đổi để ngày hồn thiện hơn, là: cô đặc, hấp thụ, chưng cất, trích ly, … Tùy theo đặc tính yêu cầu sản phẩm mà ta có lựa chọn phương pháp phù hợp Đối với hệ Nước – Axit axetic cấu tử tan lẫn hồn tồn, ta phải dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết Đồ án mơn học Q trình Thiết bị mơn học mang tính tổng hợp q trình học tập kỹ sư Cơng nghệ Hóa học tương lai Môn học giúp sinh viên giải nhiệm vụ tính tốn cụ thể về: quy trình cơng nghêä, kết cấu, giá thành thiết bị sản xuất hóa chất - thực phẩm Đây bước để sinh viên vận dụng kiến thức học nhiều môn học vào giải vấn đề kỹ thuật thực tế cách tổng hợp Nhiệm vụ Đồ án thiết kế hệ thống chưng cất Nước – Axit axetic có suất 3000 kg/h, nồng độ nhập liệu 30% khối lượng, nồng độ sản phẩm đỉnh 95,5% khối lượng, nồng độ sản phẩm đáy 0,5% khối lượng Sử dụng đốt có áp suất 2,5at Chương Trang Chưng luyện Nước – Axit axetic GVHD: Nguyễn Văn Lục GIỚI THIỆU I LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT : Khái niệm: Chưng cất trình dùng để tách cấu tử hỗn hợp lỏng hỗn hợp khí lỏng thành cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay khác cấu tử hỗn hợp (nghĩa nhiệt độ, áp suất bão hòa cấu tử khác nhau) Thay đưa vào hỗn hợp pha để tạo nên tiếp xúc hai pha trình hấp thu nhả khí, q trình chưng cất pha tạo nên bốc ngưng tụ Trong trường hợp đơn giản nhất, chưng cất cô đặc khơng khác nhau, nhiên hai q trình có ranh giới trình chưng cất dung mơi chất tan bay (nghĩa cấu tử diện hai pha với tỷ lệ khác nhau), q trình đặc có dung mơi bay cịn chất tan khơng bay Khi chưng cất ta thu nhiều cấu tử thường cấu tử thu nhiêu sản phẩm Nếu xét hệ đơn giản có cấu tử ta thu sản phẩm:  Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay lớn phần cấu tử có độ bay bé  Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay bé phần cấu tử có độ bay lớn Đối với hệ Nước – Axit axetic thì:  Sản phẩm đỉnh chủ yếu nước  Sản phẩm đáy chủ yếu axit axetic 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 nước trực tiếp - Chưng cất 2.3 Phân loại theo phương pháp cấp nhiệt đáy tháp: - Cấp nhiệt trực tiếp - Cấp nhiệt gián tiếp Vậy: hệ Nước – Axit axetic, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp nhiệt gián tiếp nồi đun áp suất thường Thiết bị chưng cất: Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác để tiến hành chưng cất Tuy nhiên yêu cầu chung thiết bị giống nghĩa diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều phụ thuộc vào mức độ phân tán lưu chất vào lưu chất Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta có loại tháp mâm, pha lỏng phân tán vào pha khí ta có tháp chêm, tháp phun,… Ở ta khảo sát loại thường dùng tháp mâm tháp chêm Trang Chưng luyện Nước – Axit axetic GVHD: Nguyễn Văn Lục Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía có gắn mâm có cấu tạo khác nhau, pha lỏng pha cho tiếp xúc với Tùy theo cấu tạo đĩa, ta có: - Tháp mâm chóp : mâm bố trí có chóp dạng trịn, xupap, chữ s… - Tháp mâm xuyên lỗ: mâm có nhiều lỗ hay rãnh  Tháp chêm (tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối với mặt bích hay hàn Vật chêm cho vào tháp theo hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự So sánh ưu nhược điểm loại tháp:  Tháp chêm - Cấu tạo đơn giản - Trở lực thấp Ưu - Làm việc với chất lỏng bẩn điểm dùng đệm cầu có    chất lỏng - Do có hiệu ứng thành  hiệu suất truyền khối thấp - Độ ổn định khơng cao, khó vận Nhược hành điểm - Do có hiệu ứng thành  tăng suất hiệu ứng thành tăng  khó tăng suất - Thiết bị nặng nề Tháp mâm xuyên lỗ - Trở lực tương đối thấp - Hiệu suất cao Tháp mâm chóp - Khá ổn định - Hiệu suất cao - Không làm việc với chất lỏng bẩn - Kết cấu phức tạp - Có trở lực lớn - Tiêu tốn nhiều vật tư, kết cấu phức tạp Vậy: ta sử dụng tháp mâm xuyên lỗ để chưng cất hệ Nước – Axit axetic II GIỚI THIỆU SƠ BỘ VỀ NGUYÊN LIỆU : Axit axetic: 1.1 Tính chất: Axit axetic nóng chảy 16,6oC, điểm sơi 118oC, hỗn hợp nước với tỷ lệ Trong trình hỗn hợp với nước có co thể tích, với tỷ trọng cực đại, chứa 73% axit axetic (D : 1,078 1,0553 axit khiết) Người ta suy hàm lượng axit axetic nước từ tỷ trọng nó, ngoại trừ hàm lượng 43% Tính ăn mịn kim loại:  Axit axetic ăn mịn sắt  Nhơm bị ăn mịn axit lỗng, đề kháng tốt axit axetic đặc khiết Đồng chì bị ăn mịn axit axetic với diện khơng khí  Thiếc số loại thép nikel – crom đề kháng tốt axit axetic Trang Chưng luyện Nước – Axit axetic GVHD: Nguyễn Văn Lục Axit axetic khiết cịn gọi axit glaxial dễ dàng đơng đặc kết tinh nước đá 17oC, đước điều chế chủ yếu oxy hóa andehit axetic Khơng màu sắc, vị chua, tan nước cồn etylic 1.2 Điều chế: Axit axetic điều chế cách: 1) Oxy hóa có xúc tác cồn etylic để biến thành andehit axetic, giai đoạn trung gian Sự oxy hóa kéo dài tiếp tục oxy hóa andehit axetic thành axit axetic CH3CHO + ½ O2 = CH3COOH C2H5OH + O2 = CH3COOH + H2O 2) Oxy hóa andehit axetic tạo thành cách tổng hợp từ acetylen Sự oxy hóa andehit tiến hành khí trời với diện coban axetat Người ta thao tác andehit axetic nhiệt độ gần 80 oC để ngăn chặn hình thành peroxit Hiệu suất đạt 95 – 98% so với lý thuyết Người ta đạt dễ dàng sau chế axit axetic kết tinh axetat 80 C CH3CHO + ½ O2  Coban          CH3COOH 3) Tổng hợp từ cồn metylic Cacbon oxit Hiệu suất đạt 50 – 60% so với lý thuyết cách cố định cacbon oxit cồn metylic qua xúc tác Nhiệt độ từ 200 – 500oC, áp suất 100 – 200atm: CH3OH + CO  CH3COOH với diện metaphotphit photpho – vonframat kim loại hóa trị (chẳng hạn sắt, coban) o 1.3 Ứng dụng: Axit axetic axit quan trọng loại axit hữu Axit axetic tìm nhiều ứng dụng loại axit hữu rẻ tiền Nó dùng để chế tạo nhiều hợp chất ester Nguồn tiêu thụ chủ yếu 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 phẩm màu, dược phẩm, nước hoa tổng hợp  Axetat nhôm dùng làm chất cắn màu (mordant nghề nhuộm)  Phần lớn ester axetat dung mơi, thí dụ: izoamyl axetat hòa tan nhiều loại nhựa xenluloza Nước: Trong điều kiện bình thường: nước chất lỏng khơng màu, không mùi, không vị khối nước dày có màu xanh nhạt Khi hóa rắn tồn dạng dạng tinh thể khác Tính chất vật lý:  Khối lượng phân tử : 18 g / mol  Khối lượng riêng d40 c : g / ml  Nhiệt độ nóng chảy : 00C  Nhiệt độ sôi : 1000 C Nước hợp chất chiếm phần lớn trái đất (3/4 diện tích trái đất nước biển) cần thiết cho sống Nước dung môi phân cực mạnh, có khả hồ tan nhiều chất dung mơi quan trọng kỹ thuật hóa học Trang Chưng luyện Nước – Axit axetic GVHD: Nguyễn Văn Lục Chương QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ Chú thích kí hiệu qui trình: Bồn chứa ngun liệu Bơm Bồn cao vị Thiết bị trao đổi nhiệt với sản phẩm đỉnh Thiết bị đun sơi dịng nhập liệu Bẩy Lưu lượng kế Nhiệt kế Tháp chưng cất 10 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 11 Áp kế 12 Thiết bị đun sôi đáy tháp 13 Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy 14 Bồn chứa sản phẩm đáy 15 Bồn chứa sản phẩm đỉnh Trang Chưng luyện Nước – Axit axetic GVHD: Nguyễn Văn Lục  1017  404 1408 50 1933 20 400 20 5600 I A -A TL 1:10 II 3 I TL 4:1 10 10 M10x25   11 M24x100 35 T III V 50 x 50 II TL 1:1 12 III TL 1:2  15 T M20x45 A 180 330 400 12500 13 11 T P  10 TL 1:5  15 14 T 320 10 16 11 T P 12 13 14 Trang 400 225 260 16 460 250 10 11 25  160 20 T TL 1:10 225 10 190 25 170 15 10 12 16 16 TL 1:10  16 15 14 13 12 11 10 STT Cha ân õ Đa ùy thi ết bị Ốn g da ãn lo ûng Ốn g da ãn hơ i va øo Ốn g da ãn nh ập liệu Tai tre o Bích n ối th ân Mán g cha ûy chu yền Mâm x uy ên lỗ Gờ chảy tr àn Tha ân thiết bị Kín h qua n sát Ốn g hoa øn lưu Bích nối nắp (đ áy) v t hân Na ép thi ết bị Ốn g da ãn hơ i r a TÊN GỌI C T3 X18 H10 T X18 H10 T X18 H10 T X18 H10 T C T3 X18 H10 T X18 H10 T X18 H10 T X18 H10 T X18 H10 T Thu ûy tin h X18 H10 T X18 H10 T X18 H10 T X18 H10 T 1 1 14 71 71 71 2 1 VẬT LIỆU SL 13 14 GHI CHÚ Trường Đại học B ác h Khoa Tp Hồ Chí Minh Khoa Côn g ng hệ Hóa học B Ộ MÔN MÁY VA Ø THIẾT BỊ 200 TH IẾT KẾ HE Ä THỐ NG CHƯ N G CẤ T N ƯƠ ÙC - AXIT AXETIC DU ØNG THA ÙP MÂM X UY ÊN LỖ SVTH Ngu yễn T H iềnL ương GV HD Ng uye ãnVăn Lục CN BM Vũ B áMi nh Chức Ho ï tên Tỉ lệ BA ÛN VE Õ LẮP Đ ẶT Ch ữký 15 14 13 12 11 10 B ồn ch ứa sa ûn p hẩm đỉn h B ồn ch ứa sa ûn p hẩm đáy Thi ết bị la øm nguo äi sản ph ẩm đáy Th iế t bị đ un sôi đáy tháp A Ùp k ế Th iế t bị n gưn g tụ sản phẩm đỉnh Tha ùp ch ưng cất N hi ệt ke Lư u l ươ ïng kế B ẩy h Th iế t bị đ un sôi øng nhập liệu TB tr ao đo åi nh iệt với sản phẩm đỉnh B ồn ca o vị B ơm B ồn chư ùa nguy ên liệu STT Đồ a ùn môn học Qua ù tr ình Th iết bị : Bảnv ẽ số :10 25 / 06/0 Ngày BV 28 / 06/0 TÊN GO ÏI Đ ẶC TÍ NH KỸ THUẬT SL GHI CHÚ Tr ường Đại học B ác h Khoa Tp Hồ Chí Minh Kho a Co âng nghe ä Ho ùa h ọc BỘ MÔN MÁY VÀ THI ẾT BỊ Đồ a ùn m ôn học Qua ù trình Th iết bị : TH IE ÁT KẾ H Ệ THO ÁN G CH ƯN G CẤT NƯ ỚC - AXIT AX ETIC DU ØN G THA ÙP MAÂM XU YE ÂN LỖ 2/ Ngày HT S VTH Ng uye ãnT H iền Lươn g G VH D Nguy ễn Văn Lục C NB M Vu õ BáMinh Chức na êng H ọ te ân T ỉ lệ Q U Y TRÌN H CO ÂNG N GHỆ C hữ k ý Bản vẽ số 1/2 Ng ày H T 25/ 06/ 05 Ng aøy BV 28/ 06/ 05 Chưng luyện Nước – Axit axetic GVHD: Nguyễn Văn Lục Hỗn hợp Nước – Axit axetic có nồng độ nước 30% (theo phần khối lượng), nhiệt độ khoảng 270C bình chứa nguyên liệu (1) bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3) Từ đưa đến thiết bị trao đổi nhiệt với sản phẩm đỉnh (4) Sau đó, hỗn hợp gia nhiệt đến nhiệt độ sôi thiết bị đun sơi dịng nhập liệu (5), đưa vào tháp chưng cất (9) đĩa nhập liệu Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng trộn với phần lỏng từ đoạn luyện tháp chảy xuống Trong tháp, từ lên gặp chất lỏng từ xuống Ở đây, có tiếp xúc trao đổi hai pha với Pha lỏng chuyển động phần chưng xuống giảm nồng độ cấu tử dễ bay bị pha tạo nên từ nồi đun (12) lôi cấu tử dễ bay Nhiệt độ lên thấp, nên qua đĩa từ lên cấu tử có nhiệt độ sơi cao axit axetic ngưng tụ lại, cuối đỉnh tháp ta thu hỗn hợp có cấu tử nước chiếm nhiều (có nồng độ 95,5% phần khối lượng) Hơi vào thiết bị ngưng tụ (10) ngưng tụ hồn tồn Một phần chất lỏng ngưng tụ trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu thiết bị (4) (sau qua bồn cao vị) Phần lại chất lỏng ngưng tụ hồn lưu tháp đĩa Một phần cấu tử có nhiệt độ sơi thấp bốc hơi, cịn lại cấu tử có nhiệt độ sơi cao chất lỏng ngày tăng Cuối cùng, đáy tháp ta thu hỗn hợp lỏng hầu hết cấu tử khó bay (axit axetic) Hỗn hợp lỏng đáy có nồng độ nước 0,5% phần khối lượng, lại axit axetic Dung dịch lỏng đáy khỏi tháp vào nồi đun (12) Trong nồi đun dung dịch lỏng phần bốc cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần lại khỏi nồi đun qua thiết bị làm nguội sản phẩm đáy (13), làm nguội đến 350C , đưa qua bồn chứa sản phẩm đáy (14) Hệ thống làm việc liên tục cho sản phẩm đỉnh nước, sau trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu có nhiệt độ 35oC thải bỏ Sản phẩm đáy axit axetic giữ lại Chương CÂN BẰNG VẬT CHẤT I CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU : Trang Chưng luyện Nước – Axit axetic GVHD: Nguyễn Văn Lục Chọn loại tháp tháp mâm xuyên lỗ Khi chưng luyện dung dịch axit axetic cấu tử dễ bay nước Axit axetic : CH COOH  M A 60 (g / mol) Hỗn hợp:  Nước : H O  M N 18 (g / mol)  Năng suất nhập liệu: GF = 3000 (kg/h)  Nồng độ nhập liệu: xF = 30% (kg nước/ kg hỗn hợp)  Nồng độ sản phẩm đỉnh: xD = 95,5% (kg nước/ kg hỗn hợp)  Nồng độ sản phẩm đáy: xW = 0,5% (kg nước/ kg hỗn hợp)  Áp suất đốt: Ph = 2,5at  Chọn:  Nhiệt độ nhập liệu: tFV = 27oC  Nhiệt độ sản phẩm đáy sau làm nguội: tWR = 35oC  Nhiệt độ dòng nước lạnh vào: tV = 27oC  Nhiệt độ dòng nước lạnh ra: tR = 43oC  Trạng thái nhập liệu trạng thái lỏng sôi  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 cấu tử i II XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG SẢN PHẨM ĐỈNH SẢN PHẨM ĐÁY THU ĐƯỢC : G F G D  G W Đun gián tiếp :  G F x F G D x D  G W x W GW GF GD    xD  xW xF  xW xD  xF xF  xW 30  0,5 GF  3000 931,579 (kg/h) Nên : GD = xD  xW 95,5  0,5 Và: GW = GF – GD = 3000 – 931,579 = 2068,421 (kg/h) III XÁC ĐỊNH TỈ SỐ HỒN LƯU LÀM VIỆC : Nồng độ phần mol: xF 0,3 MN 18 xF    0,588 (mol nước/ mol hỗn hợp) x F  x F 0,3  0,3   18 60 MN MA xW 0,005 MN 18 xW   0,016 (mol nước/ mol hỗn hợp) xW  xW 0,005  0,005   18 60 MN MA Trang Chưng luyện Nước – Axit axetic GVHD: Nguyễn Văn Lục xD 0,955 MN 18 xD   0,986 (mol nước/ mol hỗn hợp) xD  xD 0,955  0,955   18 60 MN MA Suất lượng mol tương đối dòng nhập liệu: f x D  x W 0,98606  0,01647  = 1,696 x F  x W 0,58824  0,01647 Tỉ số hồn lưu làm việc: 0,9 0,8 yF* 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 xF 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Hình 1: Đồ thị cân pha hệ Nước – Axit axetic Dựa vào hình  yF* = 0,705 x D  y *F 0,98606  0,705  Tỉ số hồn lưu tối thiểu: R  * = 2,407 y F  x F 0,705  0,58824 Tỉ số hồn lưu làm việc: R = 1,3Rmin + 0,3 = 3,429 IV XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG MOL CỦA CÁC DÒNG PHA : Coi lưu lượng mol dòng pha đoạn tháp (chưng luyện) không đổi Tại đỉnh tháp: nHD L Trang Chưng luyện Nước – Axit axetic nHD GVHD: Nguyễn Văn Lục L Vì đỉnh tháp nồng độ phần mol nước pha lỏng pha  Khối lượng pha pha lỏng đỉnh tháp nhau: MHD = MLD = xD MN + (1 – xD) MA = 0,986 18 + (1 – 0,986) 60 = 18,585 (kg/mol) Suất lượng khối lượng dòng đỉnh tháp: GHD = (R +1)GD = (3,429 + 1) 931,579 = 4126,142 (kg/h) Suất lượng mol dòng đỉnh tháp: G HD 4126,142  nHD = = 222,009 (kmol/h) M HD 18,585 Suất lượng khối lượng dòng hồn lưu: GL = RGD = 3,429 931,579 = 3194,563 (kg/h) Suất lượng mol dòng hồn lưu: GL 3194,563  L= = 171,885 (kmol/h) M LD 18,585 Tại mâm nhập liệu: nHF nLF F n’LF nHF Khối lượng mol dòng nhập liệu: MF = xF MN + (1 – xF) MA = 0,588 18 + (1 – 0,588) 60 = 35,294 (kg/kmol) Suất lượng mol dòng nhập liệu: GF 3000  F= = 256,885 (kmol/h) MF 35,294 Và: nLF = L = 171,885 (kmol/h) n’LF = L + F = 171,885 + 256,885 = 428,770 (kmol/h) nHF = nHD = 222,009 (kmol/h) Tại đáy tháp: nHW nLW W Vì đáy tháp nồng độ phần mol nước pha lỏng pha  Khối lượng pha pha lỏng đáy tháp nhau: MHW = MLW = xW MN + (1 – xW) MA = 0,016 18 + (1 – 0,016) 60 = 59,308 (kg/mol) Suất lượng mol dòng sản phẩm đáy: Trang 10 ... Đối với hệ Nước – Axit axetic thì:  Sản phẩm đỉnh chủ yếu nước  Sản phẩm đáy chủ yếu axit axetic Các phương pháp chưng cất: 2.1 Phân loại theo áp suất làm việc: - Áp suất thấp - Áp suất thường... hệ Nước – Axit axetic, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp nhiệt gián tiếp nồi đun áp suất thường Thiết bị chưng cất: Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác để tiến hành chưng. .. - Kết cấu phức tạp - Có trở lực lớn - Tiêu tốn nhiều vật tư, kết cấu phức tạp Vậy: ta sử dụng tháp mâm xuyên lỗ để chưng cất hệ Nước – Axit axetic II GIỚI THIỆU SƠ BỘ VỀ NGUYÊN LIỆU : Axit axetic:

Ngày đăng: 18/03/2013, 14:10

Xem thêm: Thiết kế hệ thống chưng cất Nước – Axit axetic có năng suất là 3000 kg-h, Thiết kế hệ thống chưng cất Nước – Axit axetic có năng suất là 3000 kg-h