Đề tài Thiết kế hệ thống chưng cất nước – Axit axetic có năng suất là 500l/h

Chưng luyện Acid acetic - Nước GVHD: Hoàng Minh Nam Trang 1 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 Quá trình & Thiết bị (MSMH: 605040) ĐỀ TÀI: “thiết kế hệ thống chưng cất Nước – Axit axetic có năng suất là 500l/h” GVHD : Thầy Hoàng Minh Nam SVTH : Văn Thị Ánh Minh MSSV : 60301693 Lớp : HC03 – TP2 Ngành : Hóa - thực phẩm Năm học 2005-2006 Chưng luyện Acid acetic - Nước GVHD: Hoàng Minh Nam Trang 2 MỤC LỤC Lời mở đầu ......................................................................................................................... 1 CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU . ............................................................................................. 2 I. Lý thuyết về chưng cất ................................................................................................. 2 1. Khái niệm .................................................................................. 2 2. Các phương pháp chưng cất. ..................................................... 2 3. Thiết bị chưng cất ..................................................................... 3 II. Giới thiệu sơ bộ về nguyên liệu. .................................................................................. 3 1. Axit axetic ................................................................................. 3 2. Nước. ......................................................................................... 4 CHƯƠNG II: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ .................................................................... 5 CHƯƠNG III: CÂN BẰNG VẬT CHẤT ........................................................................ 8 I. Các thông số ban đầu. ...................................................................................... 8 II. Xác định suất lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy thu được ................... 8 III. Xác định tỉ số hoàn lưu làm việc ...................................................................... 9 IV. Xác định suất lượng mol các dòng pha ......................................................... 10 CHƯƠNG IV: TÍNH CÂN BẰNG NHIỆT ................................................................... 12 CHƯƠNG V: TÍNH THIẾT BỊ CHÍNH. ...................................................................... 14 I. Đường kính tháp…... ...................................................................................... 14 II. Chiều cao tháp ................................................................................................ 18 III. Trở lực tháp .................................................................................................... 19 IV. Bề dày tháp ...................................................................................................... 23 V. Bề dày mâm ..................................................................................................... 25 VI. Bích ghép thân – đáy và nắp .......................................................................... 26 VII. Chân đỡ tháp ................................................................................................... 27 VIII. Tai treo tháp .................................................................................................... 28 IX. Cửa nối ống dẫn với thiết bị – bích nối các bộ phận của thiết bị và ống dẫn……………. .............................................................................................. 29 1. Ống nhập liệu........................................................................ 30 2. Ống hơi ở đỉnh tháp. ............................................................. 30 3. Ống hoàn lưu ........................................................................ 31 4. Ống hơi ở đáy tháp. .............................................................. 31 5. Ống dẫn lỏng vào nồi đun..................................................... 31 6. Ống dẫn lỏng ra khỏi nồi đun. .............................................. 32 X. Lớp cách nhiệt ................................................................................................ 33 CHƯƠNG V: TÍNH THIẾT BỊ PHỤ. ........................................................................... 34 I. Thiết bị đun sôi đáy tháp…... ......................................................................... 34 II. Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy ................................................................... 37 III. Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh ................................................................... 41 IV. Thiết bị đun sôi dòng nhập liệu ..................................................................... 44 V. Bồn cao vị ........................................................................................................ 48 VI. Bơm. ............................................................................................................. 51 Chưng luyện Acid acetic - Nước GVHD: Hoàng Minh Nam Trang 3 CHƯƠNG VII: TÍNH KINH TẾ. .................................................................................. 53 Lời kết… ……………… ................................................................................................. 55 Tài liệu tham khảo ........................................................................................................... 55 Chưng luyện Acid acetic - Nước GVHD: Hoàng Minh Nam Trang 4 Chương 1 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 hoàn 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 Nước – Axit axetic là 2 cấu tử tan lẫn hoàn toàn, 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 toán cụ thể về: quy trình công nghê, 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 500l/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 28%(kg axit/kg hỗn hợp). Sử dụng hơi đốt có áp suất 2,5at. Chưng luyện Acid acetic - Nước GVHD: Hoàng Minh Nam Trang 5 GIỚI THIỆU I. LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT : 1. Khái niệm:  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 bé và một phần rất ít các cấu tử có độ bay hơi lớn.  Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi bé. 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. 3. 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… Chưng luyện Acid acetic - Nước GVHD: Hoàng Minh Nam Trang 6 - 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: Tháp chêm Tháp mâm xuyên lỗ Tháp mâm chóp Ưu điểm - Cấu tạo khá đơn giản. - Trở lực thấp. - Làm việc được với chất lỏng bẩn nếu dùng đệm cầu có ρ ≈ ρ của chất lỏng. - Trở lực tương đối thấp. - Hiệu suất khá cao. - Khá ổn định. - Hiệu suất cao. Nhược điểm - 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. - Không làm việc được với chất lỏng bẩn. - Kết cấu khá 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 : 1. Axit axetic: 1.1. Tính chất:  Là 1 chất lỏng không màu, có mùi sốc đặc trưng, trọng lượng riêng 1,0497 (ở 20oC)  Khi hạ nhiệt độ xuống 1 ít đã đông đặc thành 1 khối tinh thể có Tonc = 16,635 – 0,002o, Tosôi = 118oC  Tan trong nước, rượu và ete theo bất kỳ tỷ lệ nào  Là 1 axit yếu, hằng số phân ly nhiệt động của nó ở 25oC là K = 1,75.10 5− Tính ăn mòn kim loại:  Axit axetic ăn mòn sắt.  Nhôm bị ăn mòn bởi axit loãng, 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. 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 80oC 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. CH3CHO + ½ O2  → C80ôûaxetatCoban o CH3COOH Chưng luyện Acid acetic - Nước GVHD: Hoàng Minh Nam Trang 7 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 hoà tan nhiều chất và là dung môi rất quan trọng trong kỹ thuật hóa học. 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. Thiết bị đun sôi dòng nhập liệu. 5. Bẩy hơi. 6. Lưu lượng kế. 7. Nhiệt kế. 8. Tháp chưng cất. 9. Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh. Chưng luyện Acid acetic - Nước GVHD: Hoàng Minh Nam Trang 8 10. Áp kế. 11. Thiết bị đun sôi đáy tháp. 12. Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy. 13. Bồn chứa sản phẩm đáy. 14. Bộ phận chia dòng. 15. Bồn chứa sản phẩm đỉnh. Chưng luyện Acid acetic - Nước GVHD: Hoàng Minh Nam Trang 9 1 2 3 4 8 9 11 12 13 T T P T5 6 7 10 x = 92% t° = 25°C Hôi ñoát P = 2,5at Nöôùc ngöng Nöôùc la øm laïnh t° = 25°C t° = 40°C Hôi ñoát P = 2,5at Nöôùc ngöng Nöôùc laøm laïnh t° = 25°C t° = 35°C x =72% t° = 40°C Nöôùc 14 Chưng luyện Acid acetic - Nước GVHD: Hoàng Minh Nam Trang 10 Hỗn hợp Nước – Axit axetic có nồng độ nước 92% (theo phần khối lượng), nhiệt độ khoảng 250C 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 (4), rồi được đưa vào tháp chưng cất (8) 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 (11) 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 (9) và được ngưng tụ hoàn toàn. Một phần của chất lỏng ngưng tụ được hoàn 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 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 72% phần khối lượng, còn lại là axit axetic. Dung dịch lỏng ở đáy đi ra khỏi tháp vào nồi đun (11). 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 (12), được làm nguội đến 400C, rồi được đưa qua bồn chứa sản phẩm đáy (13). 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. 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. Chưng luyện Acid acetic - Nước GVHD: Hoàng Minh Nam Trang 11 Hỗn hợp:    =⇒ =⇒ )mol/g(18MOH:Nöôùc )mol/g(60MCOOHCH:axeticAxit N2 A3  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 = 72% (kg nước/ kg hỗn hợp)  Chọn:  Nhiệt độ nhập liệu: tFV = 25oC  Trạng thái nhập liệu là trạng thái lỏng sôi. Đối với thiết bị đun sôi đáy tháp :  Ap 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 = 25oC  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 = 25oC  Nhiệt độ dòng nước lạnh đi ra: tR = 40oC  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 25oC: ρN = 996,5 (kg/m3) Tra bảng 1.2, trang 9, [5] ⇒ Khối lượng riêng của axit axetic ở 25oC: ρAL = 1042,75 (kg/m3) Áp dụng trong công thức (1.2), trang 5, [5]: 75,1042 08.0 5,996 92,01 +=+= A FA N FN hh xx ρρρ ⇒ ρhh = 1000 (kg/m3) Năng suất nhập liệu : GF = 0,5 (m3/h) × 1000 (kg/m3) = 500 (kg/h) Đun gián tiếp :    += += WWDDFF WDF xGxGxG GGG ⇔ FD W WF D WD F xx G xx G xx G − = − = − Nên : GD = 64,363500725,99 7292 = − − = − − F WD WF G xx xx (kg/h) Và: GW = GF – GD = 500 – 363,64 = 136,36 (kg/h) III. XÁC ĐỊNH TỈ SỐ HOÀN LƯU LÀM VIỆC : 1. Nồng độ phần mol: Chưng luyện Acid acetic - Nước GVHD: Hoàng Minh Nam Trang 12 = − + = − + = 60 92,01 18 92,0 18 92,0 1 A F N F N F F M x M x M x x 0,9746 (mol nước/ mol hỗn hợp) = − + = − + = 60 72,01 18 72,0 18 72,0 1 A W N W N W W M x M x M x x 0,8955 (mol nước/ mol hỗn hợp) = − + = − + = 60 955,01 18 995,0 18 995,0 1 A D N D N D D M x M x M x x 0,9985 (mol nước/ mol hỗn hợp) 2. Suất lượng mol tương đối của dòng nhập liệu: 8955,09746,0 8955,09985,0 − − = − − = WF WD xx xxf = 1,30215 3. Tỉ số hoàn lưu làm việc: Chưng luyện Acid acetic - Nước GVHD: Hoàng Minh Nam Trang 13 xF yF Hình 1: Đồ thị cân bằng pha của hệ Nước – Axit axetic Dựa vào hình 1 ⇒ yF* = 0,9819 Tỉ số hoàn lưu tối thiểu: 9746,09819,0 9819,09985,0 * * min − − = − − = FF FD xy yx R = 2,274 Tỉ số hoàn 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: 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/mol) Suất lượng khối lượng của dòng hơi tại đỉnh tháp: GHD = (R +1)GD = (3,2562 + 1). 363,64 = 1547,71 (kg/h) Suất lượng mol của dòng hơi tại đỉnh tháp: nHD = 063,18 71,1547 = HD HD M G = 85,684 (kmol/h) L L nHD nHD Chưng luyện Acid acetic - Nước GVHD: Hoàng Minh Nam Trang 14 Suất lượng khối l