Đồ án Nghiên cứu thiết kế, tính toán hệ thống tháp chưng cất

ng ta lấy sản phẩm ra 1 cách dễ dàng. Ưu điểm của quá trình chưng bằng hơi nước trực tiếp là giảm được nhiệt độ sôi của hỗn hợp, nghĩa là chúng ta có thể chưng được ở nhiệt độ sôi của từng cấu tử. Điều này rất có lợi đối với các chất dễ bị phân huỷ ở nhiệt độ cao cũng như đối với các chất có nhiệt độ sôi quá cao mà khi chưng gián tiếp đòi hỏi dùng hơi áp suất cao. Chưng bằng hơi nước trực tiếp có thể tiến hành gián đoạn hay liên tục. Trong cả 2 trường hợp người ta đều phải dùng cách đốt gián tiếp để đun bốc hơi hỗn hợp. Lượng hơi nước trực tiếp đi vào hỗn hợp chỉ có nhiệm vụ mang cấu tử dễ bay hơi ra mà thôi. 1.1.2.4. Chưng luyện [5] Chưng cất có hồi lưu Để nâng cao khả năng phân chia hỗn hợp lỏng, người ta tiến hành cho hồi lưu một phần sản phẩm đỉnh. Nhờ sự tiếp xúc thêm một lần giữa pha lỏng (hồi lưu) và pha hơi trong tháp được làm giàu thêm cấu tử nhẹ nhờ đó mà độ phân chia cao hơn. Chưng cất có tinh luyện Sản phẩm ra khỏi đỉnh Dựa vào quá trình trao đổi chất nhiều lần giữa pha lỏng và hơi nhờ vào các đĩa hay đệm. Chưng cất sẽ có độ phân chia cao hơn nếu kết hợp với hồi lưu. Hơi bay lên chất lỏng chất lỏng đi xuống Hơi từ dưới lên Giai đoạn cân bằng Nhiệt độ thay đổi Sản phẩm đáy Nhiệt độ vào Nhiên liệu lỏng Hình 1.4. Sơ đồ tiếp xúc giữa dòng lỏng và hơi trong tháp chưng cất 1.1.3. Các thiết bị chưng cất [6] Ta có thể phân biệt chưng cất ra thành quy trình một lần như trong phòng thí nghiệm để tách một hóa chất tinh khiết ra khỏi một hỗn hợp, và chưng cất liên tục, như trong các tháp chưng cất  trong công nghiệp. Trong nhiều trường hợp có một tỷ lệ nhất định của hỗn hợp hai chất lỏng mà không thể tiếp tục tách bằng phương pháp chưng cất được nữa. Các hỗn hợp này được gọi là hỗn hợp đẳng phí. Nếu muốn tăng nồng độ của cồn phải dùng đến các phương pháp tinh cất đặc biệt khác. Có thể sử dụng các loại tháp chưng cất sau: - Tháp chưng cất dùng mâm xuyên lỗ hoặc mâm đĩa lưới. - Tháp chưng cất dùng mâm chóp. - Tháp đệm (tháp chưng cất dùng vật chêm). Nhận xét về ưu khuyết điểm của từng loại tháp      - Tháp mâm xuyên lỗ     Ưu điểm: Chế tạo đơn giản, vệ sinh dễ dàng, trở lực thấp hơn tháp chóp, ít tốn kim loại hơn tháp chóp.      Nhược điểm: Yêu cầu lắp đặt cao: Mâm lắp phải rất phẳng, đối với tháp có đường kính quá lớn (>2.4m) ít dùng mâm xuyên lỗ vì khi đó chất lỏng phân phối không đều trên đĩa.      - Tháp chóp     Ưu điểm:Hiệu suất truyền khối cao, ổn định, ít tiêu hao năng lượng hơn nên có số mâm ít hơn.      Nhược điểm: Chế tạo phức tạp, trở lực lớn.      - Tháp đệm     Ưu điểm: Chế tạo đơn giản, trở lực thấp.     Nhược điểm: Hiệu suất thấp, kém ổn định do sự phân bố các pha theo tiết diện tháp không đều, sử dụng tháp chêm không cho phép ta kiểm soát quá trình chưng cất theo không gian tháp trong khi đó ở tháp mâm thì quá trình thể hiện qua từng mâm 1 cách rõ ràng, tháp đệm khó chế tạo được kích thước lớn ở quy mô công nghiệp. Bảng 1.1  So sánh ưu và nhược điểm của các loại tháp. Tháp đệm. Tháp mâm xuyên lỗ. Tháp mâm chóp. Ưu điểm - Đơn giản. - Trở lực thấp. - Hiệu suất tương đối cao. - Hoạt động khá ổn định. - Làm việc với chất lỏng bẩn. - Hiệu  suất cao. - Hoạt động  ổn định. Nhược điểm - Hiệu  suất thấp. - Độ ổn định kém. - Thiết bị nặng. - Trở lực khá cao. - Yêu cầu lắp đặt khắt khe. - Lắp đĩa thật phẳng. - Cấu tạo phức tạp - Trở lực lớn. Hình 1.5. Hình minh họa tháp chóp [5] Hình 1.6. Hình minh hoạ đĩa mâm lỗ [5] Hình 1.7. Hình minh họa cho tháp đĩa đệm [5] 1.2. GIỚI THIỆU SƠ BỘ VỀ NGUYÊN LIỆU [7] 1.2.1 Nước 1.2.1.1. Khái niệm Nước là một hợp chất hóa học của oxy và hydro, có công thức hóa học là H2O. Với các tính chất lí hóa đặc biệt (ví dụ như tính lưỡng cực, liên kết hydro và tính bất thường của khối lượng riêng) nước là một chất rất quan trọng trong nhiều ngành khoa học và trong đời sống 70% diện tích của Trái Đất được nước che phủ nhưng chỉ 0,3% tổng lượng nước trên Trái Đất nằm trong các nguồn có thể khai thác dùng làm nước uống. Bên cạnh nước “thông thường” còn có nước nặng và nước siêu nặng. Ở các loại nước này, các nguyên tử hydro bình thường được thay thế bởi các đồng vị đơteri và triti. Nước nặng có tính chất vật lý (điểm nóng chảy cao hơn, nhiệt độ sôi cao hơn, khối lượng riêng cao hơn) và hóa học khác với nước thường. 1.2.1.2. Cấu tạo *). Hình học của phân tử nước Phân tử nước Phân tử nước bao gồm hai nguyên tử hydro và một nguyên tử oxy. Về mặt hình học thì phân tử nước có góc liên kết là 104,45°. Do các cặp điện tử tự do chiếm nhiều chỗ nên góc này sai lệch đi so với góc lý tưởng của hình tứ diện. Chiều dài của liên kết O-H là 96,84 picomet. *). Tính lưỡng cực Tính lưỡng cực Oxy có độ âm điện cao hơn hydro. Việc cấu tạo thành hình ba góc và việc tích điện từng phần khác nhau của các nguyên tử đã dẫn đến cực tính dương ở các nguyên tử hydro và cực tính âm ở nguyên tử oxy, gây ra sự lưỡng cực. Dựa trên hai cặp điện tử đơn độc của nguyên tử oxy, lý thuyết VSEPR đã giải thích sự sắp xếp thành góc của hai nguyên tử hydro, việc tạo thành moment lưỡng cực và vì vậy mà nước có các tính chất đặc biệt. Vì phân tử nước có tích điện từng phần khác nhau nên một số sóng điện từ nhất định như sóng cực ngắn có khả năng làm cho các phân tử nước dao động, dẫn đến việc nước được đun nóng. Hiện tượng này được áp dụng để chế tạo lò vi sóng. *). Liên kết hydro Liên kết hydro Các phân tử nước tương tác lẫn nhau thông qua liên kết hydro và nhờ vậy có lực hút phân tử lớn. Đây không phải là một liên kết bền vững. Liên kết của các phân tử nước thông qua liên kết hydro chỉ tồn tại trong một phần nhỏ của một giây, sau đó các phân tử nước tách ra khỏi liên kết này và liên kết với các phân tử nước khác. Đường kính nhỏ của nguyên tử hydro đóng vai trò quan trọng cho việc tạo thành các liên kết hydro, bởi vì chỉ có như vậy nguyên tử hydro mới có thể đến gần nguyên tử oxy một chừng mực đầy đủ. Các chất tương đương của nước, ví dụ như dihydro sulfua (H2S), không tạo thành các liên kết tương tự vì hiệu số điện tích quá nhỏ giữa các phần liên kết. Việc tạo chuỗi của các phân tử nước thông qua liên kết cầu nối hydro là nguyên nhân cho nhiều tính chất đặc biệt của nước, ví dụ như nước mặc dù có khối lượng mol nhỏ vào khoảng 18g/mol vẫn ở thể lỏng trong điều kiện tiêu chuẩn. Ngược lại, H2S tồn tại ở dạng khí cũng ở trong những điều kiện này. Nước có khối lượng riêng lớn nhất ở 4oC và nhờ vào đó mà băng đá có thể nổi lên trên mặt nước; hiện tượng này được giải thích nhờ vào liên kết cầu nối hydro. 1.2.1.3.. Các tính chất hóa lý của nước Cấu tạo của phân tử nước tạo nên các liên kết hydro giữa các phân tử là cơ sở cho nhiều tính chất của nước. Cho đến nay một số tính chất của nước vẫn còn là câu đố cho các nhà nghiên cứu mặc dù nước đã được nghiên cứu từ lâu. Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi của nước đã được Anders Celsius dùng làm hai điểm mốc cho độ bách phân Celcius. Cụ thể, nhiệt độ nóng chảy của nước là 0oC, còn nhiệt độ sôi (760mmHg) bằng 100oC. Nước đóng băng được gọi là nước đá. Nước đã hóa hơi được gọi là hơi nước. Nước có nhiệt độ sôi tương đối cao nhờ liên kết hydro. Dưới áp suất bình thường nước có khối lượng riêng (tỷ trọng) cao nhất là ở 4°C: 1g/cm³ đó là vì nước vẫn tiếp tục giãn nở khi nhiệt độ giảm xuống dưới 4°C. Điều này không được quan sát ở bất kỳ một chất nào khác. Điều này có nghĩa là: Với nhiệt độ trên 4°C, nước có đặc tính giống mọi vật khác là nóng nở, lạnh co; nhưng với nhiệt độ dưới 4°C, nước lại lạnh nở, nóng co. Do hình thể đặc biệt của phân tử nước (với góc liên kết 104,45°), khi bị làm lạnh các phân tử phải dời xa ra để tạo liên kết tinh thể lục giác mở. Vì vậy mà tỷ trọng của nước đá nhẹ hơn nước thể lỏng. Khi đông lạnh dưới 4°C, các phân tử nước phải dời xa ra để tạo liên kết tinh thể lục giác mở. Nước là một dung môi tốt nhờ vào tính lưỡng cực. Các hợp chất phân cực hoặc có tính ion như axit, rượu và muối đều dễ tan trong nước. Tính hòa tan của nước đóng vai trò rất quan trọng trong sinh học vì nhiều phản ứng hóa sinh chỉ xảy ra trong dung dịch nước. Nước tinh khiết không dẫn điện. Mặc dù vậy, do có tính hòa tan tốt, nước hay có tạp chất pha lẫn, thường là các muối, tạo ra các ion tự do trong dung dịch nước cho phép dòng điện chạy qua. Về mặt hóa học, nước là một chất lưỡng tính, có thể phản ứng như một axit hay bazơ. Ở 7pH (trung tính) hàm lượng các ion hydroxyt (OH-) cân bằng với hàm lượng của hydronium (H3O+). Khi phản ứng với một axit mạnh hơn thí dụ như HCl, nước phản ứng như một chất kiềm: HCl + H2O ↔ H3O+ + Cl- Với ammoniac nước lại phản ứng như một axit: NH3 + H2O ↔ NH4+ + OH- Axit axetic 1.2.2.1. Giới thiệu chung Axit axetic, hay còn gọi là etanoic, là một axit hữu cơ (Axit Cacboxylic), mạnh hơn axit cacbonic. Phân tử gồm nhóm methyl (-CH3) liên kết với nhóm caboxyl (-COOH). Mô hình phân tử axit acetic Giấm là axit axetic nồng độ từ 2÷6%. Giấm được điều chế bằng cách lên men rượu etylic. Axit axetic còn có thể được điều chế từ axetylen, cracking dầu mỏ hoặc chưng gỗ. 1.2.2.2. Tính chất hóa học Nguyên tử hydro (H) trong nhóm carboxyl (−COOH) trong các axit cacbolic như axit axetic có thể cung cấp một ion H+ (proton), làm cho chúng có tính chất axit. Axit axetic là một axit yếu, thuộc nhóm axit monoprotic, có Ka = 4,75. Nó tạo ra gốc liên kết là axetat (CH3COO−). Dung dịch 1,0M (tương đương nồng độ giấm gia đình) có pH là 2,4, cho thấy chỉ 0,44% các phân tử axit axetic bị phân ly. Liên kết hai phân tử axit axetic, đường đứt nét thể hiện các liên kết hydro. Cấu trúc tinh thể của axit axetic cho thấy các phân tử nhị trùng liên kết bởi các liên kết hydro. Các chất nhị trùng cũng có thể được phát hiện ở dạng hơi ở 120°C. Chúng cũng có mặt trong pha lỏng trong các dung dịch loãng trong các dung môi không có liên kết hydro, và một mức độ nhất định trong axit axetic tinh khiết, nhưng bị phá vỡ trong các dung môi có liên kết hydro. Enthalpy phân ly của các chất này ước tính khoảng 65,0÷66,0 kJ/mol, và entropy phân ly khoảng 154÷157 Jmol−1 K−1. Cách thức nhị trùng này cũng có thể hiện ở các axit cacboxylic thấp hơn khác. Axit axetic lỏng là dung môi protic dính ướt (phân tử phân cực), tương tự như ethanol và nước. Với hằng số điện môi trung bình khoảng 6,2; nó có thể hoà tan không chỉ trong các hợp chất phân cực như các muối vô cơ và các loại đường mà nó còn có khả năng hòa tan trong các hợp chất không phân cực như dầu, và các nguyên tố như lưu huỳnh và iốt. Nó cũng có thể hòa trộn với các dung môi phân cực và không phân cực khác như nước, cloroform, và hecxan. Đối với các alkan cao phân tử (từ octan trở lên) axit axetic không có khả năng trộn lẫn một cách hoàn toàn, và khả năng trộn lẫn tiếp tục giảm khi số n-alkan càng lớn. Tính chất hòa tan và độ trộn lẫn của axit axetic làm cho nó được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp. 1.2.2.3. Các phản ứng hóa học Axit axetic có thể ăn mòn các kim loại như sắt, mangan và kẽm sinh ra khí hydro và các muối kim loại tương ứng gọi là các axetat. Nhôm khi tiếp xúc với oxy sẽ tạo thành một màng mỏng nhôm oxit trên bề mặt làm cho nó có khả năng chống lại một cách tương đối sự ăn mòn của axit, điều này cho phép các bình chứa bằng nhôm có thể dùng để vận chuyển axit axetic. Các axetat kim loại cũng có thể được điều chế từ axit axetic và một bazo tương ứng, như phản ứng phổ biến là "natri bicacbonat + giấm". Chỉ trừ crôm(II) axetat, thì hầu hết các axetat còn lại đều có thể hòa tan trong nước. Mg (r) + 2CH3COOH (l) → (CH3COO)2Mg (dd) + H2 (k) NaHCO3 (r) + CH3COOH (dd) → CH3COONa (dd) + CO2 (k) + H2O (l) Axit axetic có thể tạo các phản ứng hóa học đặc trưng của nhóm axit cacboxylic như tạo ra nước và ethanoat kim loại khi phản ứng với kiềm; tạo ra ethanoat kim loại khi phản ứng với kim loại; và tạo ra ethanoat kim loại, nước và cacbon dioxit khi phản ứng với các cacbonat và bicacbonat. Phản ứng đặc trưng nhất là tạo thành ethanol, và tạo thành các dẫn xuất như axetyl clorua bằng cách thay thế nhóm -OH bởi -Cl. Các dẫn xuất thay thế khác như anhydrit axetic; anhydrit này được tạo ra theo phản ứng trùng ngưng rách phân tử nước từ hai phân tử của axit axetic. Các este của axit axetic tương tự có thể được tạo ra bởi este hóa, và các amit. Khi nung trên 440°C, axit axetic phân hủy tạo ra cacbon dioxit và metan, hoặc tạo ra ethanon và nước. Axit axetic có thể được nhận biết bởi mùi đặc trưng của nó. Phản ứng biến đổi màu đối với các muối của axit axetic là cho tác dụng với dung dịch sắt(III) clorua, phản ứng này tạo ra màu đỏ đậm sau khi axit hóa. Khi nung nóng các axetat với asen trioxit tạo ra cacodyl oxit, chất này có thể được nhận biết bởi các hơi có mùi hôi. 1.2.2.4. 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 este. Nguồn tiêu thụ chủ yếu của axit axetic là: Làm dầu ăn (dấm ăn chứa 4,5% axit axetic). Làm chất đông đặc nhựa mủ cao su. Làm chất dẻo tơ sợi xenluloza axetat-làm phim ảnh không nhạy lửa. Làm chất nhựa kết dính poly vinyl 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, ví dụ: Izoamyl axetat hoà tan được nhiều loại nhựa xenluloza. 1.2.3. Hỗn hợp nước-axit axetic [6] Ta có bảng thành phần lỏng (x)-hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp nước axit axetic ở 760 mmHg. Bảng 1.1. Thành phần lỏng (x)-hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp nước-axit axetic ở 760mmHg. x (% phần mol) 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 y (% phần mol) 0 9.2 16.7 30.3 42.5 53 62.6 71.6 79.5 86.4 93 100 t(oC) 118.4 115.4 113.8 110.1 107.5 105.8 104.4 103.3 102.1 101.3 100.6 100 Hình 1.8. Đồ thị x-y của hệ nước-axit acetic. 1.3. QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ 2 CẤU TỬ NƯỚC-AXIT ACETIC [6] 1.3.1. Sơ đồ công nghệ Hình 1.9. Sơ đồ công nghệ chưng cất hệ 2 cấu tử nước-axit acetic. Chú thích: Bồn chứa nguyên liệu 9. Nhiệt kế Bơm 10. Áp kế Thùng cao vị 11. Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh Lưu lượng kế 12. Nồi đun Thiết bị trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy 13. Bồn chứa sản phẩm đỉnh Thiết bị gia nhiệt nhập liệu 14. Bồn chứa sản phẩm đáy Bẫy hơi 15. Bộ phận phân dòng Tháp chưng cất 1.3.2. Thuyết minh quy trình công nghệ Hỗn hợp axit axetic-nước nhiệt độ khoảng 28oC tại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm lên bình cao vị (3). Từ đó hỗn hợp được đưa đến thiết bị trao đổi nhiệt (5) trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy. Sau đó hỗn hợp được đun sôi đến nhiệt độ sôi trong thiết bị gia nhiệt (6) hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất (8) ở đĩa nhập liệu. Trên đĩa nhập liệu chất lỏng được trộn với phần lỏng từ phần cất của tháp chưng cất chảy xuống. Trong tháp hơi đi từ dưới lên gặp lỏng đi từ trên xuống. Ở đây có sự tiếp xúc và trao đổi giữa 2 pha với nhau. Pha lỏng chuyển động trong phần chưng càng xuống càng giảm nồng độ cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi từ nồi đun (12) lôi cuốn dễ bay hơi. Càng lên trên đỉnh tháp nhiệt độ càng thấp, nên khi hơi đi qua các đĩa từ dưới lên thì các cấu tử có nhiệt độ sôi cao là nước ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử nước nhiều nhất. Hơi này được đưa vào thiết bị ngưng tụ (11) và được ngưng tụ hoàn toàn. Một phần chất lỏng được ngưng tụ trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu trong thiết bị (5) rồi vào bồn chứa sản phẩm đỉnh (13). Phần còn lại của chất lỏng ngưng tụ được hồi lưu về tháp ở đĩa trên cùng với tỷ số hồi lưu tối ưu. Một phần cấu tử sôi 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 là axit axetic. CHƯƠNG 2: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU *). Bảng các ký hiệu Ký hiệu Ý nghĩa Đơn vị Cân bằng vật chất Năng suất nhập liệu theo khối lượng kg/h Năng suất nhập liệu theo số mol kmol/h Suất lượng sản phẩm đỉnh theo khối lượng kg/h Suất lượng sản phẩm đỉnh theo số mol kmol/h Suất lượng sản phẩm đáy theo khối lượng kg/h Suất lượng sản phẩm đáy theo số mol kmol/h Nồng độ phần mol nhập liệu trong pha lỏng % mol Nồng độ phần khối lượng nhập liệu trong pha lỏng % khối lượng Nồng độ phần mol sản phẩm đỉnh trong pha lỏng % mol Nồng độ phần khối lượng sản phẩm đỉnh trong pha lỏng % khối lượng Nồng độ phần mol dòng sản phẩm đáy trong pha lỏng % mol Nồng độ phần khối lượng sản phẩm đáy trong pha lỏng % khối lượng Nồng độ phần mol nhập liệu trong pha hơi % mol Nồng độ phần khối lượng dòng nhập liệu trong pha hơi % khối lượng Nồng độ phần mol sản phẩm đỉnh trong pha hơi % mol Nồng độ phần khối lượng sản phẩm đỉnh trong pha hơi % khối lượng Nồng độ phần mol sản phẩm đáy trong pha hơi % mol Nồng độ phần khối lượng sản phẩm đáy trong pha hơi % khối lượng Nồng độ phần mol trong pha lỏng % mol Nồng độ phần khối lượng trong pha lỏng % khối lượng Nồng độ phần mol trong pha hơi cân bằng với pha lỏng % mol Nồng độ phần khối lượng trong pha hơi cân bằng với pha lỏng % khối lượng Mn Khối lượng mol phân tử nước kg/kmol Khối lượng mol phân tử axit axetic kg/kmol Khối lượng mol phân tử trung bình kg/kmol Suất lượng theo số mol kmol/h Suất lượng theo khối lượng kg/h Khối lượng mol phân tử trung bình nhập liệu kg/kmol Khối lượng mol phân tử trung bình sản phẩm đỉnh kg/kmol Khối lượng mol phân tử trung bình sản phẩm đáy kg/kmol Nhiệt độ sôi của dung dịch oC Nhiệt độ sôi của nhập liệu oC Nhiệt độ sôi của sản phẩm đỉnh oC Nhiệt độ sôi của sản phẩm đáy oC Nhiệt độ nhập liệu vào oC Nhiệt độ sản phẩm đỉnh ra oC Nhiệt độ sản phẩm đáy ra oC Nhiệt độ nước ra oC Nhiệt độ nước vào oC Tính số đĩa thực Rmin Chỉ số hoàn lưu tối thiểu Rth Chỉ số hoàn lưu thích hợp f Chỉ số nhập liệu Độ bay hơi tương đối Độ nhớt cP Độ nhớt của hỗn hợp cP Độ nhớt của axit axetic cP Độ nhớt của nước cP Hiệu suất đĩa Hiệu suất đĩa ở đỉnh Hiệu suất đĩa ở đáy Hiệu suất đĩa ở vị trí nhập liệu Hiệu suất đĩa trung bình Ntt Số đĩa thực tế Đĩa NttC Số đĩa thực tế đoạn chưng Đĩa NttL Số đĩa thực tế đoạn luyện Đĩa NttT Số đĩa thực tế cả tháp Đĩa Nlt Số đĩa lí thuyết Đĩa 2.1. CÁC THÔNG SỐ BAN DẦU • Năng suất nhập liệu: = 0.8 (m3/h) • Nồng độ nhập liệu: = 88% kl nước • Nồng độ sản phẩm đỉnh: = 99.55% kl nước • Nồng độ sản phẩm đáy: = 70% kl nước • Khối lượng phân tử nước và axit acetic: MN = 18, MA = 60 • Chọn: + Nhiệt độ nhập liệu: tF = 100.1727oC + Nhiệt độ sản phẩm đỉnh: tD = 100.0235oC + Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt: t’W = 40oC + Trạng thái nhập liệu: Lỏng, sôi 2.2. XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG SẢN PHẨM ĐỈNH VÀ SẢN PHẨM ĐÁY • Suất lượng dòng lưu chất theo khối lượng: = . (kg/h) • Suất lượng dòng lưu chất theo mol: = (kmol/h) • Chuyển từ phần khối lượng sang phần mol: xF = = = 0.9607 (phần mol nước) x = = = 0.9985 (phần mol nước) xW = = = 0.8861 (phần mol nước) • Tính Mtb: Mtb = xF . Mb + (1- xF ) .Ma = 0.9607*18+(1-0.9607)*60 = 19.6506 (kg/kmol) Mtb = xD . Mb + (1- xD ) . Ma = 0.9985*18 + (1 – 0.9985) * 60 = 18.063 (kg/kmol) Mtb = xW * Mb + (1- xW ) * Ma = 0.8861 * 18 + (1 – 0.8861 ) * 60 = 22.7838 (kg/kmol) • Khối lượng riêng của hỗn hợp nhập liệu: • Suất lượng dòng nhập liệu: F = = * 1000 = 42.507 (kmol/h) • Phương trình cân bằng vật chất cho toàn bộ tháp chưng cất: => == => D = *F = *42.507 = 28.186 (kmol/kg) W = F - D = 42.507 - 28.186 = 14.321 (kmol/kg) = D * Mtb= 28.186 * 18.063 = 509.1237 (kg/h) = W * Mtb= 14.321 * 22.7838 = 326.2867 (kg/h) 2.3. XÁC ĐỊNH TỶ SỐ HỒI LƯU THÍCH HỢP 2.3.1. Tỷ số hồi lưu tối thiểu Tỷ số hồi lưu tối thiểu là chế độ làm việc mà tại đó ứng với số mâm lý thuyết là vô cực. Do đó, chi phí cố định là vô cực nhưng chi phí điều hành (nhiên liệu, nước và bơm…) là tối thiểu. Hình 2.1. Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa xF và y*F Rmin = = 3.1 Vậy: Tỷ số hồi lưu tối thiểu là: Rmin = 3.1 2.3.2. Tỷ số hồi lưu thích hợp [2] Khi R tăng, số mâm giảm nhưng đường kính tăng, thiết bị ngưng tụ, nồi đun và công để bơm cũng tăng theo. Chi phí cố định sẽ giảm dần đến cực tiểu rồi tăng đến vô cực khi hồi lưu toàn phần, lượng nhiệt và lượng nước sử dụng cũng tăng theo tỷ số hồi lưu. Tổng chi phí bao gồm: Chi phí cố định và chi phí điều hành. Chi phí hồi lưu thích hợp ứng với tổng chi phí là cực tiểu. Tuy nhiên, đôi khi các chi phí điều hành rất phức tạp, khó kiểm soát nên người ta có thể tính tỷ số hồi lưu thích hợp từ điều kiện tháp nhỏ nhất. Để tính được tỷ số hồi lưu thích hợp theo điều kiện tháp nhỏ nhất (không tính đến chi phí điều hành) ta cần lập mối quan hệ giữa tỷ số hồi lưu và thể tích tháp từ đó chọn Rth ứng với thể tích tháp là nhỏ nhất. Nhận thấy tiết diện tháp ứng với lượng hơi đi trong tháp mà lượng hơi tỷ lệ với lượng lỏng hồi lưu trong tháp, do trong điều kiện làm việc nhất định thì GD sẽ không đổi nên lượng hồi lưu sẽ tỷ lệ với (R+1), do đó, tiết diện tháp sẽ tỷ lệ với (R+1). Ngoài ra, chiều cao tháp tỷ lệ với số đơn vị chuyển khối mox hay số mâm lý thuyết Nlt. Cho nên, thể tích làm việc của tháp tỷ lệ với tích số mox*(R+1). Như vậy, ta có thể thiết lập quan hệ giữa R và Vtháp theo quan hệ R và mox*(R+1). Từ đồ thị quan hệ này ta xác định được điểm cực tiểu của mox*(R+1) ứng với tỷ số hồi lưu thích hợp R. Bảng 2.1. Mối quan hệ giữa R, mox và mox*(R+1) R mox mox*(R+1) 2.496 47.818 167.173 2.723 37.733 140.480 2.973 32.801 130.320 3.023 33.545 134.952 Hình 2.2. Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa R, mox và mox*(R+1) Vậy, ta có tỷ số hồi lưu thích hợp: R = Rmin * 1.3 + 0.3 = 3.1 * 1.3 + 0.3 = 4.4 2.4. PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG NỒNG ĐỘ LÀM VIỆC VÀ SỐ MÂM LÝ THUYẾT [4] 2.4.1. Phương trình nồng độ làm việc của đoạn cất y = = = 0.8148.x + 0.1849 2.4.2. Phương trình nồng độ làm việc của đoạn chưng y = = = 0.5356x – 0.0833 Với: f = = 1,508: chỉ số nhập liệu. 2.4.3. Số mâm lý thuyết Hình 2.3. Số mâm đĩa lý thuyết Đồ thị xác định số mâm lý thuyết Từ đồ thị ta có: 23 mâm, bao gồm: 19 mâm cất, 1 mâm nhập liệu, 3 mâm chưng. Tóm lại, số mâm lý thuyết là Nlt = 23 mâm 2.4.4. Số mâm đĩa thực tế [4] Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình: = [4(tập 2/170)] Trong đó: Hiệu suất trung bình của đĩa, là 1 hàm số của độ bay hơi tương đối và độ nhớt của hỗn hợp lỏng: = f() Ntt: Số mâm thực tế Nlt: Số mâm lý thuyết • Xác định hiệu suất trung bình của tháp tb: + Độ bay hơi tương đối của cấu tử dễ bay hơi: = Với: x: Phần mol của nước trong pha lỏng. y: Phần mol của nước trong pha hơi cân bằng với pha lỏng. lg = x1lg + x2lg [3(tập 1)trang 84] * Tại vị trí nhập liệu: xF = 0.9607 ta tra đồ thị cân bằng của hệ 0.9700 tF = 100.1727oC + 1.27 + tF = 100.1727oC, = 0.46.10-3 N.s/m2, = 0.284.10-3 N.s/m2 (t2/91, 92) = 0.443.10-3 (N.s/m2) = 0.443 cP Suy ra: = 1.27*0.443 = 0.563 Tra tài liệu tham khảo [tập 2, trang 171]: = 0.58 * Tại vị trí mâm đáy: 0.8861 tra đồ thị cân bằng của hệ = 0.925 + = 1.58 + 0.46*10-3 N.s/m2, = 0.284* 10-3 N.s/m2 = 0.443*10-3 N.s/m2 = 0.443cP Suy ra = 1.58*0.443 = 0.7 Tra tài liệu tham khảo [4(tập 2) trang 171] = 0.54 * Tại vị trí mâm đỉnh: xW = 0.9985 ta tra đồ thị cân bằng của hệ: y = 0.999 TD = 100.0235oC + = 1.5 + tD = 100.0235oC, = 0.46*10-3 N.s/m2, = 0.284*10-3 N.s/m2 = 0.443*10-3 N.s/m2 = 0.443 cP Suy ra: = 1.58*0.443 = 0.67 Tra tài liệu tham khảo [4(tập 2) trang 171] = 0.56 Suy ra hiệu suất trung bình của đĩa: = 0.56 • Số mâm đĩa thực tế của tháp Ntt: Ntt = = 41 mâm CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT 3.1. ĐƯỜNG KÍNH THÁP (Dt) Dt = (m) [4(tập 2) trang 181] Vtb: Lượng hơi trung bình đi trong tháp (m3/h). : 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. 3.1.1. Đường kính đoạn cất + Lượng hơi trung bình đi trong tháp: (kg/h) 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) = 509.1237*(4.4 + 1) = 2749.268 (kg/h) Xác định g1: Từ hệ phương trình (III.1) Với: G1: Lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn cất. r1: Ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn cất. rd: Ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi ra ở đỉnh tháp. * Tính r1: t1 = tF = 100.1727oC, tra tài liệu tham khảo (3(tập 1) ta có: Ẩn nhiệt hoá hơi của nước: rNd = 2256.5573 (kJ/kg). Ẩn nhiệt hoá hơi của acid axetic: rRd = 38.9795 (kJ/kg). Với xD = 0.9985 tra đồ thị ta có: yD = 0.995 Suy ra: rd = rNd.yD + (1-yD).rAd = 2256.5573*0.995 + (1-0.995 + (1-0.995).38.9795 = 2245.4694 ( kJ/kg). * x1 = xF = 0,9607 Giải hệ (III.1), ta có:(phân khối lượng nước)=> y1= 0.9641 Vậy: + Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp Tốc độ của hơi đi trong tháp đệm: Y = 1,2.e -4.x Y = X = Với: p: Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (kg/