Khóa luận Thiết kế tháp chưng cất loại mâm chóp để chưng cất hỗn hợp axit axetic - Nước

Chưng cất là quá trình dùng đểtách các cấu tửcủa một hỗn hợp lỏng cũng nhưhỗn hợp khí lỏng thành các cấu tửriêng biệt dựa vào độbay hơi khác nhau của các cấu tửtrong hỗn hợp (nghĩa là khi ởcùng một nhiệt độ, áp suất hơi bão hòa của các cấu tửkhác nhau). Thay vì đưa vào trong hỗn hợp một pha mới đểtạo nên sựtiếp xúc giữa hai pha nhưtrong quá trình hấp thu hoặc nhảkhí, trong quá trình chưng cất pha mới được tạo nên bằng sựbốc 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 cơbản là trong quá trình chưng cất dung môi và chất tan đều bay hơi (nghĩa là các cấu tử đều hiện diện trong cảhai pha nhưng với tỷlệkhác nhau), còn trong quá trình cô đặc thì chỉcó dung môi bay hơi còn chất tan không bay hơi. Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tửvà thường thì bao nhiêu cấu tửsẽthu được bấy nhiêu sản phẩm. Nếu xét hệ đơn giản chỉcó 2 cấu tửthì ta thu được 2 sản phẩm: ƒ Sản phẩm đỉnh chủyếu gồm cấu tửcó độbay hơi lớn và một phần rất ít các cấu tửcó độ bay hơi bé. ƒ Sản phẩm đáy chủyếu gồm cấu tửcó độbay hơi bé và một phần rất ít cấu tửcó độbay hơi lớn.

pdf57 trang | Chia sẻ: lvbuiluyen | Lượt xem: 8038 | Lượt tải: 1download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Khóa luận Thiết kế tháp chưng cất loại mâm chóp để chưng cất hỗn hợp axit axetic - Nước, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
Đồ án môn học QT & TB GVHD : Hồng Minh Nam Tháp chưng cất mâm chóp Axit axetic – Nước SVTH : Mai Thị Ngọc Hạ 1 Đại học Quốc gia TpHCM Trường Đại học Bách Khoa Khoa Công nghệ Hóa học & Dầu khí BỘ MÔN MÁY & THIẾT BỊ WYZXWYZX ĐỒ ÁN MÔN HỌC: THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT LOẠI MÂM CHÓP ĐỂ CHƯNG CẤT HỖN HỢP AXIT AXETIC - NƯỚC CBHD: Thầy HỒNG MINH NAM Sinh viên: MAI THỊ NGỌC HẠ MSSV: 60500799 Lớp: HCO5KSTN Ngành : 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: Đồ án môn học QT & TB GVHD : Hồng Minh Nam Tháp chưng cất mâm chóp Axit axetic – Nước SVTH : Mai Thị Ngọc Hạ 2 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 Đồ án môn học QT & TB GVHD : Hồng Minh Nam Tháp chưng cất mâm chóp Axit axetic – Nước SVTH : Mai Thị Ngọc Hạ 3 CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN I. LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT : 1. Khái niệm: 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. Đồ án môn học QT & TB GVHD : Hồng Minh Nam Tháp chưng cất mâm chóp Axit axetic – Nước SVTH : Mai Thị Ngọc Hạ 4 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: ƒ 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. ƒ 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: ƒ Sản phẩm đỉnh chủ yếu là nước. ƒ 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. ƒ 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 ƒ 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 Đồ án môn học QT & TB GVHD : Hồng Minh Nam Tháp chưng cất mâm chóp Axit axetic – Nước SVTH : Mai Thị Ngọc Hạ 5 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 16,6oC, 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: ƒ Axit axetic ăn mòn sắt. ƒ 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. ƒ 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 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 3) Tổng hợp đi từ cồn metylic và Cacbon oxit. 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. - Làm việc được với chất lỏng bẩn. - 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. - Kết cấu khá phức tạp. - Có trở lực lớn. - Tiêu tốn nhiều vật tư, kết cấu phức tạp. Đồ án môn học QT & TB GVHD : Hồng Minh Nam Tháp chưng cất mâm chóp Axit axetic – Nước SVTH : Mai Thị Ngọc Hạ 6 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: ƒ Làm dấm ăn (dấm ăn chứa 4,5% axit axetic). ƒ Làm đông đặc nhựa mủ cao su. ƒ Làm chất dẻo tơ sợi xenluloza axetat – làm phim ảnh không nhạy lửa. ƒ Làm chất nhựa kết dính polyvinyl axetat. ƒ Làm các phẩm màu, dược phẩm, nước hoa tổng hợp. ƒ Axetat nhôm dùng làm chất cắn màu (mordant trong nghề nhuộm) ƒ 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: ƒ Khối lượng phân tử : 18 g / mol ƒ Khối lượng riêng d40 c : 1 g / ml ƒ Nhiệt độ nóng chảy : 00C ƒ 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) 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 y(%phân mol) 0 9.2 16.7 30.3 42.5 53 62.6 71.6 79.5 86.4 93 100 t(0C) 118.4 115.4 113.8 110.1 107.5 105.8 104.4 103.3 102.1 101.3 100.6 100 Đồ án môn học QT & TB GVHD : Hồng Minh Nam Tháp chưng cất mâm chóp Axit axetic – Nước SVTH : Mai Thị Ngọc Hạ 7 Heä Nöôùc- Acetic 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 x% (mol) y % (mol) Hình12: Giản đồ x - y của hệ Axit axetic - Nước 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Hình 2: Giản đồ T – x,y của hệ Axit axetic–Nước Đồ án môn học QT & TB GVHD : Hồng Minh Nam Tháp chưng cất mâm chóp Axit axetic – Nước SVTH : Mai Thị Ngọc Hạ 8 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 270C 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 Đồ án môn học QT & TB GVHD : Hồng Minh Nam Tháp chưng cất mâm chóp Axit axetic – Nước SVTH : Mai Thị Ngọc Hạ 9 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 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 400C, 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. Đồ án môn học QT & TB GVHD : Hồng Minh Nam Tháp chưng cất mâm chóp Axit axetic – Nước SVTH : Mai Thị Ngọc Hạ 10 1 2 3 9 12 T T T V uõ B aù M inh T hi eát bò ñun soâi ñaùy thaùp A Ùp k eá T haùp chöng caát T hi eát bò ngöng tu ï saûn phaåm ñænh N hi eät keá L öu l öô ïng k eá B aãy hô i T hi eát bò ñun soâi doøng nhaäp l i eäu B ? n ch? a s? n ph?m d ?nh B oàn cao v ò B ôm B oàn chöùa nguy eân l i eäu 1/2 C höùc naêng SV TH GV H D CN BM Chöõ k y ùH oï teân QU Y T R Ì N H COÂN G N GH EÄ Tæ leä B aûn v eõ soá N gaøy H T N gaøy B V H oaøng M i nh N am M ai T h? N g?c H ? Ñ oà aùn m oân hoïc : Q uaù tr ình v aø T hi eát bò T H IEÁT K EÁ H EÄ T H OÁN G CH ÖN G CA ÁT A X IT A X ET IC - N ÖÔÙC D U ØN G T H A ÙP M A ÂM CH OÙP T röôøng Ñ aïi ho ïc B aùch K hoa T p. H oà Chí M inh K hoa C oâng ngheä H oùa hoïc B OÄ M OÂN M A ÙY V A Ø TH IEÁT B Ò ST T T EÂN GO ÏI Ñ A ËC T Í N H K Y Õ T H U A ÄT SL V A ÄT L I EÄU 1 2 4 3 7 8 6 5 11 12 10 9 10/10/08 27 /12/08 7 x = 92% t° = 27°C H ô i ñoát P = 2,5at N öôùc ngöng Saûn phaåm ñænh D oøng hoài l öu P H ôi ñoát P = 2,5at N öôùc ngöng N öôùc l aïnhN öôùc noùng K hí k hoâng ngöng 5 10 3 6 8 1 2 1 2 1 2 3 1 1 1 1 1 P x = 95,5 % 11 N u?c N u ?cx = 70% t° = 40°C Saûn phaåm ñaùy 1314 T hi eát bò l aøm nguoäi saûn phaåm ñaùy B ? n ch? a s? n ph?m d aùy 13 14 11 1 Đồ án môn học QT & TB GVHD : Hồng Minh Nam Tháp chưng cất mâm chóp Axit axetic – Nước SVTH : Mai Thị Ngọc Hạ 11 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. Hỗn hợp: ⎩ ⎨⎧ =⇒ =⇒ )mol/g(18MOH:Nöôùc )mol/g(60MCOOHCH:axeticAxit N2 A3 ƒ Năng suất nhập liệu: GF = 0.5 (m3/h) ƒ Nồng độ nhập liệu: ⎯xF = 92% (kg nước/ kg hỗn hợp) ƒ Nồng độ sản phẩm đỉnh: ⎯xD = 99.5% (kg nước/ kg hỗn hợp) ƒ Nồng độ sản phẩm đáy: ⎯xW = 70% (kg nước/ kg hỗn hợp) ƒ Chọn: 9 Nhiệt độ nhập liệu: tFV = 27oC 9 Trạng thái nhập liệu là trạng thái lỏng sôi. với thiết bị đun sôi đáy tháp : 9 Aùp suất hơi đốt : Ph = 2.5at Đối với thiết bị làm nguội sản phẩm đáy : 9 Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi làm nguội: tWR = 40oC 9 Nhiệt độ dòng nước lạnh đi vào: tV = 27oC 9 Nhiệt độ dòng nước lạnh đi ra: tR = 35oC Đối với thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh : 9 Nhiệt độ dòng nước lạnh đi vào: tV = 27oC 9 Nhiệt độ dòng nước lạnh đi ra: tR = 60 ÷ 70oC ƒ Các ký hiệu: 9 GF, F: suất lượng nhập liệu tính theo kg/h, kmol/h. 9 GD, D: suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo kg/h, kmol/h. 9 GW, W: suất lượng sản phẩm đáy tính theo kg/h, kmol/h. 9 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: ρN = 996,4 (kg/m3) Tra bảng 1.2, trang 9, [5] ⇒ Khối lượng riêng của axit axetic ở 27oC: ρA = 1040,65 (kg/m3) Áp dụng trong công thức (1.2), trang 5, [5]: 1 0,92 0.08 996,4 1040,65 FN FA hh N A x x ρ ρ ρ= + = + ⇒ 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 −=−=−⇔ 92 70 500 372,88( / ) 99,5 70 F W D F D W x xG G kg h x x − −⇔ = = =− − ⇔ GW = GF – GD = 500 – 372,88 = 127,12 (kg/h) Đồ án môn học QT & TB GVHD : Hồng Minh Nam Tháp chưng cất mâm chóp Axit axetic – Nước SVTH : Mai Thị Ngọc Hạ 12 xF yF ∗ III. XÁC ĐỊNH TỈ SỐ HỒN LƯU LÀM VIỆC : 1. Nồng độ phần mol: =−+ =−+ = 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) 8861.0 60 70,01 18 70,0 18 70,0 1 =−+ =−+ = A W N W N W W M x M x M x x (mol nước/ mol hỗn hợp) 9985,0 60 955,01 18 995,0 18 995,0 1 =−+ =−+ = A D N D N D D M x M x M x x (mol nước/ mol hỗn hợp) 2. Suất lượng mol tương đối của dòng nhập liệu: 27,1 8861,09746,0 8861,09985,0 =− −=− −= WF WD xx xxf 3. Tỉ số hồn lưu làm việc: Hình 1: Đồ thị cân bằng pha của hệ Nước – Axit axetic Dựa vào hình 1 ⇒ yF* = 0,9819 Tỉ số hồn lưu tối thiểu: 9746,09819,0 9819,09985,0 * * min − −=− −= FF FD xy yxR = 2,274 Tỉ số hồn lưu làm việc: R = 1,3Rmin + 0,3 = 3,2562 Đồ án môn học QT & TB GVHD : Hồng Minh Nam Tháp chưng cất mâm chóp Axit axetic – Nước SVTH : Mai Thị Ngọc Hạ 13 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/ 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: nHD= 862,87063,18 05,1587 == HD HD M G (kmol/h) 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: 22,67 063,18 17,1214 === LD L M GL (kmol/h) 2. Tại mâm nhập liệu: 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: F = 223,26 067,19 500 === F F M GF (kmol/h) 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) 3. Tại đáy tháp: L nHD nLF n’LF nHF nHF F nLW nHW Đồ án môn học QT & TB GVHD : Hồng Minh Nam Tháp chưng cất mâm chóp Axit axetic – Nước SVTH : Mai Thị Ngọc Hạ 14 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: 58.5 784,22 12,127 === LW W M G W (kmol/h) Và: nLW = n’LF = 67.22 (kmol/h)