Tài liệu Tính toán hệ thống chưng luyện liên tục để tách hỗn hợp hai cấu tử butanol – nước với năng suất nhập

ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát bò GVHD: VUÕ BAÙ MINH MUÏC LUÏC Lôøi môû ñaàu.................................................................................................................................5 CHÖÔNG 1: GIÔÙI THIEÄU VEÀ BUTANOL VAØ QUI TRÌNH COÂNG NGHEÄ...................6 1. Giôùi thieäu sô boä 7 2. Saûn xuaát Butanol 8 3. Coâng ngheä chöng caát hoãn hôïp Butanol –Nöôùc...............................................................9 4. Choïn loaïi thaùp chöng caát vaø phöông phaùp chöng caát....................................................9 5. Sô ñoà qui trình coâng ngheä vaø thuyeát minh qui trình coâng ngheä..................................10 CHÖÔNG 2: CAÂN BAÈNG VAÄT CHAÁT – CAÂN BAÈNG NAÊNG LÖÔÏNG.........................14 1. Caân baèng vaät chaát.............................................................................................................15 1.1 Ñoà thò caân baèng Butanol – Nöôùc.............................................................................16 1.2 Xaùc ñònh chæ soá hoài löu thích hôïp............................................................................17 1.3 Veõ ñöôøng laøm vieäc..................................................................................................19 1.4 Xaùc ñònh soá maâm lyù thuyeát vaø soá maâm thöïc teá.......................................................19 2. Caân baèng naêng löôïng........................................................................................................21 2.1 Caân baèng nhieät löôïng cuûa thaùp chöng caát...............................................................21 2.2 Caân baèng nhieät löôïng cuûa thieát bò ngöng tuï............................................................23 2.3 Caân baèng nhieät löôïng cuûa thieát bò laøm nguoäi saûn phaåm ñænh..................................23 2.4 Caân baèng nhieät löôïng cuûa thieát bò laøm nguoäi saûn phaåm ñaùy...................................23 2.5 Caân baèng nhieät löôïng cuûa thieát bò laøm nguoäi ñun soâi doøng nhaäp lieäu ....................24 CHÖÔNG 3: TÍNH TOAÙN THAÙP CHÖNG CAÁT...............................................................25 I. Kích thöôùc thaùp .............................................................................................................26 1. Ñöôøng kính ñoaïn caát ................................................................................................26 2. Ñöôøng kính ñoaïn luyeän.............................................................................................28 3. Chieàu cao thaùp .........................................................................................................30 SVTH: PHAN THÒ VAÂN ANH Trang 1 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát bò II. GVHD: VUÕ BAÙ MINH Tính toaùn choùp vaø oáng chaûy chuyeàn............................................................................31 A. Tính cho phaàn caát.....................................................................................................31 B. Tính cho phaàn chöng.................................................................................................32 III. Tính trôû löïc thaùp............................................................................................................39 A. Toång trôû löïc phaàn caát....................................................................................................39 1. Trôû löïc ñóa khoâ ∆Pk..................................................................................................39 2. Trôû löïc do söùc caêng beà maët......................................................................................40 3. Trôû löïc cuûa lôùp chaát loûng treân ñóa ( Trôû löïc thuûy tónh ∆Pt )......................................40 B. Toång trôû löïc phaàn chöng...............................................................................................41 1. Trôû löïc ñóa khoâ ∆Pk.................................................................................................41 2. Trôû löïc do söùc caêng beà maët......................................................................................41 3. Trôû löïc cuûa lôùp chaát loûng treân ñóa ( Trôû löïc thuûy tónh ∆Pt )......................................42 CHÖÔNG 4: TÍNH TOAÙN THIEÁT BÒ LAØM NGUOÄI SAÛN PHAÅM ÑAÙY ........................44 1. Suaát löôïng nöôùc caàn duøng.....................................................................................................45 2. Hieäu soá nhieät ñoä trung bình...................................................................................................47 3. Heä soá truyeàn nhieät..................................................................................................................48 4. Beà maët truyeàn nhieät...............................................................................................................49 5. Caáu taïo thieát bò.......................................................................................................................50 6. Tính toaùn cô khí cho thieát bò laøm nguoäi...............................................................................53 6.1. Ñöôøng kính oáng daãn nöôùc, thaùo nöôùc ..................................................................24 6.2. Toån thaát aùp löïc ôû phía doøng saûn phaåm ñaùy...........................................................24 6.3. Toån thaát aùp löïc ôû phía doøng nöôùc laøm nguoäi.........................................................24 6.4. Choïn bích, bu loâng noái caùc ñoaïn oáng....................................................................24 6.5. Toång khoái löôïng cuûa thieát bò laøm nguoäi saûn phaåm ñaùy.........................................24 6.6. Khoái löôïng cuûa daøn giaù ñôõ thieát bò laøm nguoäi saûn phaåm ñaùy...............................24 SVTH: PHAN THÒ VAÂN ANH Trang 2 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát bò GVHD: VUÕ BAÙ MINH CHÖÔNG 5: TÍNH THIEÁT BÒ PHUÏ....................................................................................58 I. Thieát bò ñun soâi ñaùy thaùp.................................................................................................59 1. Suaát löôïng hôi ñoát caàn duøng.........................................................................................59 2. Hieäu soá nhieät ñoä trung bình..........................................................................................60 3. Heä soá truyeàn nhieät........................................................................................................60 4. Beà maët truyeàn nhieät.....................................................................................................61 5. Caáu taïo thieát bò.............................................................................................................62 II. Thieát bò ngöïng tuï saûn phaåm ñænh ..................................................................................64 1. Suaát löôïng nöôùc laøm laïnh caàn duøng ............................................................................64 2. Hieäu soá nhieät ñoä trung bình..........................................................................................65 3. Heä soá truyeàn nhieät........................................................................................................65 4. Beà maët truyeàn nhieät.....................................................................................................66 5. Caáu taïo thieát bò.............................................................................................................67 III.Thieát bò laøm nguoäi saûn phaåm ñænh..................................................................................69 1. Suaát löôïng nöôùc caàn duøng............................................................................................69 2. Hieäu soá nhieät ñoä trung bình..........................................................................................70 3. Heä soá truyeàn nhieät........................................................................................................70 4. Beà maët truyeàn nhieät.....................................................................................................70 5. Caáu taïo thieát bò.............................................................................................................71 IV. Thieát bò ñun soâi doøng nhaäp lieäu......................................................................................73 1. Suaát löôïng hôi ñoát caàn duøng ........................................................................................73 2. Hieäu soá nhieät ñoä trung bình..........................................................................................74 3. Heä soá truyeàn nhieät.........................................................................................74 4. Beà maët truyeàn nhieät.....................................................................................................74 5. Caáu taïo thieát bò.............................................................................................................75 V. Boàn cao vò..........................................................................................................................76 1. Toån thaát ñöôøng oáng daãn...............................................................................................76 SVTH: PHAN THÒ VAÂN ANH Trang 3 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát bò GVHD: VUÕ BAÙ MINH 2. Toån thaát ñöôøng oáng daãn trong thieát bò ñun soâi doøng nhaäp lieäu....................................79 3. Chieàu cao boàn cao vò....................................................................................................80 VI. Bôm 76 1. Naêng suaát.....................................................................................................................76 2. Coät aùp 80 3. Coâng suaát.....................................................................................................................81 CHÖÔNG 6: TÍNH GIAÙ THAØNH THIEÁT BÒ.....................................................................81 TAØI LIEÄU THAM KHAÛO......................................................................................................83 SVTH: PHAN THÒ VAÂN ANH Trang 4 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát bò GVHD: VUÕ BAÙ MINH LÔØI MÔÛ ÑAÀU Moät trong nhöõng ngaønh coù söï ñoùng goùp to lôùn ñeán ngaønh coâng nghieäp nöôùc ta noùi rieâng vaø theá giôùi noùi chung ñoù laø ngaønh coâng ngheä hoaù hoïc. Ñaëc bieät laø ngaønh hoùa chaát cô baûn. Trong thöïc teá, chuùng ta söû duïng raát nhieàu daïng hoaù chaát khaùc nhau: hoãn hôïp nhieàu chaát hay ñôn chaát tinh khieát. Maø nhu caàu veà moät loaïi hoaù chaát tinh khieát cuõng raát lôùn. Ngaøy nay, caùc phöông phaùp ñöôïc söû duïng ñeå naâng cao ñoä tinh khieát: trích ly, chöng caát, coâ ñaëc, haáp thu… Tuøy theo ñaëc tính yeâu caàu cuûa saûn phaåm maø ta coù söï löïa choïn phöông phaùp thích hôïp. Ñoái vôùi heä Butanol - Nöôùc, ta neân duøng phöông phaùp chöng caát ñeå naâng cao ñoä tinh khieát cho Butanol, maëc duø butanol tan coù giôùi haïn trong nöôùc vaø heä naøy coù ñieåm ñaúng phí. Ñoà aùn moân hoïc Quaù trình vaø Thieát bò laø moät moân hoïc mang tính toång hôïp trong quaù trình hoïc taäp cuûa caùc kyõû sö hoaù- thöï c phaåm töông lai. Moân hoïc giuùp sinh vieân giaûi quyeát nhieäm vuï tính toaùn cuï theå veà: yeâu caàu coâng ngheä, keát caáu, giaù thaønh cuûa moät thieát bò trong saûn xuaát hoaù chaát - thöïc phaåm. Ñaây laø böôùc ñaàu tieân ñeå sinh vieân vaän duïng nhöõng kieán thöùc ñaõ hoïc cuûa nhieàu moân hoïc vaøo giaûi quyeát nhöõng vaán ñeà kyõû thuaät thöïc teá moät caùch toång hôïp. Nhieäm vuï thieát keá: tính toaùn heä thoáng chöng luyeän lieân tuïc ñeå taùch hoãn hôïp hai caáu töû : Butanol – nöôùc vôùi caùc soá lieäu sau ñaây: Naêng suaát nhaäp lieäu : 2000 lít/h Noàng ñoä saûn phaåm ñaùy : 5% mol nöôùc Noàng ñoä nhaäp lieäu : 20% mol nöôùc Aùp suaát laøm vieäc : aùp suaát thöôøng. SVTH: PHAN THÒ VAÂN ANH Trang 5 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát bò GVHD: VUÕ BAÙ MINH CHÖÔNG 1 GIÔÙI THIEÄU VEÀ BUTANOL VAØ QUI TRÌNH COÂNG NGHEÄ SVTH: PHAN THÒ VAÂN ANH Trang 6 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát bò GVHD: VUÕ BAÙ MINH 1. GIÔÙI THIEÄU SÔ BOÄ : Butanol coù coâng thöùc phaân töû : CH3CH2CH2CH2OH .Khoái löôïng phaân töû baèng 74 ñvC Laø chaát loûng khoâng maøu, coù muøi höông cuûa chuoái vaø raát deã chaùy. Noù khoâng ñoäc nhöng neáu ñeå laâu ngoaøi khoâng khí seõ gaây kích öùng leân da vaø maét, raát nguy hieåm khi ngöûi vaø uoáng phaûi, thaäm chí coù theå daãn ñeán töû vong. Noù tan coù giôùi haïn trong nöôùc nhöng laïi tan hoaøn toaøn trong moät soá hôïp chaát höõu cô nhö : glycol, ketone, alcohol, aldehyde, ete, hydrocacbon thôm, chaát beùo… ÖÙng duïng : Butanol ñöôïc söû duïng trong vieäc saûn xuaát caùc chaát hoùa hoïc khaùc, noù coù trong thaønh phaàn cuûa myõ phaåm vaø ñöôïc duøng nhieàu laøm dung moâi cho coâng nghieäp, ví duï vôùi vai troø laø dung moâi, noù ñöôïc duøng laøm vecni, sôn, sôn maøi, keïo cao su, thuoác nhuoäm, long naõo, chaát laøm meàm … trong myõ phaåm noù laø thaønh phaàn coù trong son moâi, kem caïo raâu, kem neàn, phaán loùt, saûn phaåm chaêm soùc moùng tay,….Vaø ñaëc bieät gaàn ñaây n-butanol ñöôïc duøng laøm chaát ñeå theâm vaøo xaêng, daàu hoûa taêng hoaït tính chaùy noå… Coù nguồn gốc từ caùc nguyeân liệu chứa lignocellulosic, ñaây laø phần sinh khối thực vật gồm thaân gỗ, rơm, baõ noâng nghiệp, xơ bắp vaø vỏ trấu, tất cả đều chứa một lượng lớn chất xơ vaø một số chất gỗ. Butanol được coi laø nhieân liệu sinh học tốt hơn ethanol vì noù ít bị hao moøn vaø coù giaù trị calo cao hơn neân noù cung caáp giaù trị năng lượng cao hơn. Moät soá thoâng soá vaät lyù vaø nhieät ñoäng cuûa butanol : • Nhieät ñoä noùng chaûy : -90°C ; • Nhieät ñoä soâi : 118°C ; • Tyû troïng : 0.810 (ôû 20°C); • Ñoä tan trong nöôùc : 7.9g/100g nöôùc Tính chaát hoaù hoïc : Tính acid-base cuûa röôïu: CH3CH2CH2CH2OH + Na → CH3(CH2)3ONa + 1/2H2 CH3CH2CH2CH2OH + NaNH2 → CH3(CH2)3ONa + NH3 Phaûn öùng ester hoùa: CH3(CH2)3OH + RCOOH H2SO4 → RCOO(CH2)3CH3 Phaûn öùng hình thaønh ether : Al2O3 2CH3(CH2)3OH → CH3(CH2)3O(CH2)3 350-400°C Phaûn öùng theá nhoùm –OH baèng halogen SVTH: PHAN THÒ VAÂN ANH Trang 7 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát bò CH3(CH2)3OH + HX CH3(CH2)3OH + SOCl2 GVHD: VUÕ BAÙ MINH xuùc taùc → CH3(CH2)3OX + H2 pyriddine → CH3(CH2)3OCl + SO2 + Cl2 Phaûn öùng taùch nöôùc taïo ankene: xuùc taùc CH3(CH2)3OH → CH3 – CH2 – CH = CH2 + H2O t°C Phaûn öùng oxy hoùa: Caùc taùc nhaân oxy hoùa thöôøng ñöôïc söû duïng trong tröôøng hôïp naøy laø KMnO 4, K2Cr2O7, CrO3, Na2Cr2O7 … trong moäi tröôøng axit H2SO4 PCC CH3(CH2)3OH → CH3 – CH2 – CH2 – CHO CH2Cl2 Ñieàu cheá : Phaûn öùng hydrobo hoùa – oxy hoùa hình thaønh röôïu: 1. B2H6 CH3 – CH2 – CH = CH2 → CH3 – CH2 – CH2 – CH2 – OH 2. H2O2/NaOH Thuûy phaân daãn xuaát halogen: H2O CH3 – CH2 – CH2 – CH2 – Br + NaOH → CH3(CH2)3OH Ñi töø hôïp chaát cô magnesium: 1. ether khan CH3CH2CH2CH2MgBr + HCHO → CH3(CH2)3OH + 2. H2O/H Khử hoùa caùc hợp chất carbonyl: 1. LiAlH4/ ether CH3CH2CH2CHO → CH3(CH2)3OH + 2. H3O 2. SAÛN XUAÁT BUTANOL : Coâng ty BP, một coâng ty daàu lôùn nhất chaâu AÂu, ñang hôïp taùc vôùi coâng ty DuPont để phaùt triển, saûn xuaát vaø kinh doanh moät loại nhieân liệu sinh hoïc môùi coù thể thay thế caùc nhieân liệu duøng trong ngaønh giao thoâng vaän tải. Caùc coâng ty döï kieán ñöa ra saûn phaåm ñaàu tieân n-butanol (butanol sinh học) vaø năm 2007 seõ baùn ôû Anh nhö moät thaønh phaàn cuûa xaêng . Caùc coâng ty naøy cuõng ñang laøm vieäc vôùi British Sugar – moät chi nhaùn coâng ty cuûa Associated British Foods – ñeå chuyeån ñoåi nhaø maùy leân men etanol ñaàu tieân cuûa Anh, söû duïng cuû caûi ñöôøng ñeå saûn xuaát 30.000 taán (hoaëc 9 triệu gal) butanol/naêm. SVTH: PHAN THÒ VAÂN ANH Trang 8 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát bò GVHD: VUÕ BAÙ MINH Charle O.Holliday Jr., ñaïi dieän cuûa DuPont, cho biết hoï seõ keát hôïp khoa hoïc coâng ngheä cuûa mình vôùi chuyeân moân maketing cuûa BP để nhanh choùng cung caáp butanol ra thò tröôøng. DuPont cho raèng nhieân lieäu sinh hoïc seõ giuùp loaøi ngöôøi bôùt phuï thuoäc vaøo nhieân lieäu hoùa thaïch vaø butanol thu ñöôïc töø quaù trình leân men caïnh tranh ñöôïc khi giaù daàu moû ôû möùc töø 30 ñeán 40 USD/ thuøng. Coøn coâng ty BP ñang tìm bieän phaùp ñeå giaûm phaùt thaûi khí nhaø kính. John Browne, moät chuyeân gia thuoäc BP cho bieát, vaän taûi laø moät laõnh vöïc quan troïng, chieám khoaûng 20% phaùt thaûi toaøn caàu. Trong töông lai gaàn, vieäc taêng tæ leä caùc thaønh phaàn sinh hoïc trong nhieân lieäu laø moät trong nhöõng löïa choïn thöïc teá ñeå phaùt trieån lónh vöïc nhieân lieäu tr6en phaïm vi toaøn caàu. DuPont cho bieát caáu truùc hoùa hoïc n-butanol laøm cho noù coù moät soá lôïi theá hôn etanol nhö aùp suaát hôi rieâng phaàn thaáp, hoøa hôïp ñöôïc vôùi taïp chaát nöôùc trong hoãn hôïp xaêng vaø deã daøng söû duïng trong ñöôøng oáng phaân phoái hieän nay. Coøn etanol laïi haáp thuï caùc phaân töû nöôùc vaø aên moøn ñöôøng oáng. Moät lôïi theá khaùc cuûa butanol laø noù coù theå ñöôïc troän vôùi xaêng ôû noàng ñoä cao hôn etanol, taïo ra hoãn hôïp nhieân lieäu kinh teá hôn hoãn hôïp xaêng - etanol. Dean Oestreich, chuû tòch moät chi nhaùnh coâng ty cuûa DuPont, cho biết butanol cuõng ñöôïc saûn xuaát nhôø quaù trình leân men töông töï vôùi quaù trình leân men cuûa etanol. Moät soá caây coâng nghieäp coù theå ñöôïc duøng ñeå saûn xuaát butanol sinh hoïc nhö: ngoâ, luùa mì, cuû caûi ñöôøng, mía, hoaëc caây luùa mieán vaø trong töông lai chuùng ta hy voïng coù theå söû duïng xenluloâ nhö thaân caây ngoâ hoaëc voû vaøo muïc ñích naøy. Trong giai ñoaïn tieáp theo cuûa döï aùn,caùc ngaønh nghieân cöùu cuûa DuPont ñang phaùt trieån moät vi khuaån leân men vôùi coâng ngheä môùi ñeå taêng toác ñoä chuyeån ñoåi trong quaù trình cheá bieán nghuyeân lieäu thaønh nhieân lieäu, theo ñoù coù theå taêng caû veà saûn löôïng vaø noàng ñoä butanol thu ñöôïc trong nhaø maùy leân men. Ngoaøi ra, n-butanol coøn ñöôïc saûn xuaát theo quy trình sau vôùi nguyeân lieäu ban ñaàu laø propylene: 3. COÂNG NGHEÄ CHÖNG CAÁT HOÃN HÔÏP BUTANOL –NÖÔÙC : Ta coù Butanol laø moät chaát loûng tan coù giôùi haïn trong nöôùc vaø nhieät ñoä soâi cuûa Butanol( 118 °C ôû 760 mmHg) vaø Nöôùc ( 100 °C ôû 760 mmHg) : laø khaù gaàn nhau Tuy nhieân, trong tröôøng hôïp naøy ta khoâng theå söû duïng phöông phaùp coâ ñaëc vì caùc caáu töû ñeàu coù khaû naêng bay hôi, vaø khoâng söû duïng phöông phaùp trích ly cuõng nhö haáp thuï do phaûi ñöa vaøo moät pha môùi ñeå taùch chuùng, coù theå laøm cho quaù trình phöùc taïp hôn, hay quaù trìng taùch SVTH: PHAN THÒ VAÂN ANH Trang 9 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát bò GVHD: VUÕ BAÙ MINH khoâng ñöôïc hoaøn toaøn. Vì theá phöông phaùp hieäu quaû nhaát ñeå thu ñöôïc butanol töông ñoái tinh khieát laø chöng caát phaân ñoaïn döïa vaøo ñoä bay hôi khaùc nhau cuûa caùc caáu töû trong hoãn hôïp. 4. CHOÏN LOAÏI THAÙP CHÖNG CAÁT VAØ PHÖÔNG PHAÙP CHÖNG CAÁT : • Chöng caát laø quaù trình phaân taùch caùc hoãn hôïp loûng thaønh caùc caáu töû rieâng bieät döïa vaøo söï khaùc nhau veà ñoä bay hôi cuûa chuùng ( hay nhieät ñoä soâi ), baèng caùch laëp ñi laëp laïi nhieàu laàn quaù trình bay hôi – ngöng tuï, trong ñoù vaät chaát ñi töø pha loûng vaøo pha hôi hoaëc ngöôïc laïi. • Ñoái vôùi chöng caát ta coù hai phöông phaùp thöïc hieän : Chöng caát ñôn giaûn (duøng thieát bò hoaït ñoäng theo chu kyø): Phöông phaùp naøy söû duïng trong caùc tröôøng hôïp sau : + Khi nhieät ñoä soâi cuûa caùc caáu töû khaùc xa nhau . + Khi khoâng ñoøi hoûi saûn phaåm coù ñoä tinh khieát cao . + Taùch hoãn hôïp loûng ra khoûi taïp chaát khoâng bay hôi . + Taùch sô boä hoãn hôïp nhieàu caáu töû . Chöng caát lieân tuïc hoãn hôïp hai caáu töû (duøng thieát bò hoaït ñoäng lieân tuïc): laø quaù trình ñöôïc thöïc hieän lieân tuïc, nghòch doøng, nhieàu ñoaïn. Ngoaøi ra coøn coù thieát bò hoaït ñoäng baùn lieân tuïc . • Trong tröôøng hôïp naøy, do saûn phaåm laø Acetone – vôùi yeâu caàu coù ñoä tinh khieát cao khi söû duïng , coäng vôùi hoãn hôïp Acetone – Nöôùc laø hoãn hôïp khoâng coù ñieåm ñaúng phí neân choïn phöông phaùp chöng caát lieân tuïc laø hieäu quaû nhaát. • Choïn loaïi thaùp chöng caát : Coù raát nhieàu loaïi thaùp ñöôïc söû duïng, nhöng ñeàu coù chung moät yeâu caàu cô baûn laø dieän tích beà maët tieáp xuùc pha phaûi lôùn, ñieàu naøy phuï thuoäc vaøo ñoä phaân taùn cuûa moät löu chaát naøy vaøo löu chaát kia . Ta khaûo saùt hai loaïi thaùp chöng caát thöôøng duøng laø thaùp maâm vaø thaùp cheâm: - Thaùp maâm goàm thaân thaùp hình truï, thaúng ñöùng, phía trong coù gaén caùc maâm coù caáu taïo khaùc nhau, treân ñoù pha loûng vaø pha hôi ñöôïc cho tieáp xuùc vôùi nhau. Goàm coù : maâm choùp, maâm xuyeân loã , maâm van. Thöôøng söû duïng maâm choùp . - Thaùp cheâm laø moät thaùp hình truï, goàm nhieàu ñoaïn noái vôùi nhau baèng maët bích hay haøn . Vaät cheâm ñöôïc ñoå ñaày trong thaùp theo moät hay hai phöông phaùp : xeáp ngaãu nhieân hay xeáp thöù töï . Choïn loaïi maâm choùp ñeå thöïc hieän quaù trình chöng caát vì nhöõng öu ñieåm sau: - Deã daøng laøm veä sinh thoâng qua caùc cöûa söõa chöõa . - Vôùi cuøng moät chöùc naêng, toång khoái löôïng thaùp maâm thöôøng nhoû hôn so vôùi thaùp cheâm. - Hieäu suaát maâm khoâng ñoåi ñoái vôùi moät khoaûng vaän toác doøng loûng hoaëc khí. - Coù theå laép ñaët oáng xoaén giaûi nhieät treân maâm khi caàn thieát . SVTH: PHAN THÒ VAÂN ANH Trang 10 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát bò 5. GVHD: VUÕ BAÙ MINH Thaùp maâm thích hôïp trong tröôøng hôïp coù soá maâm lyù thuyeát hoaëc soá ñôn vò truyeàn khoái lôùn . Thaùp ñöôïc thieát keá ñeå coù theå giöõ ñöôïc moät löôïng loûng nhaát ñònh treân maâm. Chi phí thaùp maâm coù ñöôøng kính lôùn reû hôn so vôùi thaùp ñeäm . Deã daøng ñöa vaøo hoaëc loaïi boû caùc doøng beân . Tính oån ñònh cao. SÔ ÑOÀ QUI TRÌNH COÂNG NGHEÄ VAØ THUYEÁT MINH QUI TRÌNH COÂNG NGHEÄ : a. Sô ñoà qui trình coâng ngheä (xem trang sau) SVTH: PHAN THÒ VAÂN ANH Trang 11 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát bò SVTH: PHAN THÒ VAÂN ANH GVHD: VUÕ BAÙ MINH Trang 12 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát bò GVHD: VUÕ BAÙ MINH Chuù thích : 1. Boàn chöùa nguyeân lieäu . 2. Bôm. 3. Boàn cao vò . 4. Thieát bò ñun soâi doøng nhaäp lieäu. 5. Baãy hôi. 6. Löu löôïng keá. 7. Nhieät keá . 8. Thaùp chöng caát . 9. Thieát bò ngöng tuï saûn phaåm ñænh . 10. Thieát bò laøm nguoäi saûn phaåm ñænh . 11. Boä phaän phaân phoái loûng. 12. Boàn chöa saûn phaåm ñænh. 13. Van . 14. Aùp keá . 15. Thieát bò ñun soâi ñaùy thaùp. 16. Thieát bò laøm nguoäi saûn phaåm ñaùy. 17. Boàn chöùa saûn phaåm ñaùy. b. Thuyeát minh qui trình coâng ngheä : Hoãn hôïp Butanol- Nöôùc coù noàng ñoä butanol 80%( theo mol) , nhieät ñoä khoaûng 28 0 C taïi bình chöùa nguyeân lieäu (1) ñöôïc bôm (2) bôm leân boàn cao vò (3). Töø ñoù ñöôïc ñöa ñeán thieát bò ñun soâi doøng nhaäp (4). ÔÛ ñaây, hoãn hôïp ñöôïc ñun soâi ñeán nhieät ñoä soâi . Sau ñoù, hoãn hôïp ñöôïc ñöa vaøo thaùp chöng caát (8) ôû ñóa nhaäp lieäu. Treân ñóa nhaäp lieäu, chaát loûng ñöôïc troän vôùi phaàn loûng töø ñoaïn caát cuûa thaùp chaûy xuoáng. Trong thaùp hôi, ñi töø döôùi leân gaëp chaát loûng töø treân xuoáng . ÔÛ ñaây, coù söï tieáp xuùc vaø trao ñoåi giöõa hai pha vôùi nhau. Pha loûng chuyeån ñoäng trong phaàn chöng caøng xuoáng döôùi caøng giaûm noàng ñoä caùc caáu töû deã bay hôi vì ñaõ bò pha hôi taïo neân töø noài ñun (15) loâi cuoán caáu töû deã bay hôi . Nhieät ñoä caøng leân treân caøng thaáp, neân khi hôi ñi qua caùc ñóa töø döôùi leân thì caáu töû coù nhieät ñoä soâi cao laø nöôùc seõ ngöng tuï laïi, cuoái cuøng treân ñænh thaùp ta thu ñöôïc hoãn hôïp coù caáu töû nöôùc chieám nhieàu nhaát ( coù noàng ñoä 69% theo mol ). Hôi naøy ñi vaøo thieát bò ngöng tuï (9) vaø ñöôïc ngöng tuï hoaøn toaøn. Moät phaàn chaát loûng sau khi ngöng ñi qua thieát bò laøm nguoäi saûn phaåm ñænh (10), ñöôïc laøm nguoäi ñeán 35 0C , roài ñöôïc ñöa qua boàn chöùa saûn phaåm ñænh (12). Phaàn coøn laïi cuûa chaát loûng ngöng ñöôïc hoài löu veà thaùp ôû ñóa treân cuøng vôùi tyû soá hoaøn löu thích hôïp. Moät phaàn caáu töû coù nhieät ñoä soâi thaáp ñöôïc boác hôi, coøn laïi caáu töû coù nhieät ñoä soâi cao trong chaát loûng ngaøy caøng taêng . Cuoái cuøng, ôû ñaùy thaùp ta thu ñöôïc hoãn hôïp loûng goàm haàu heát laø caáu töû khoù bay hôi ( butanol). Hoãn hôïp loûng ôû ñaùy coù noàng ñoä butanol laø 95% theo mol, coøn laïi laø nöôùc. Dung dòch loûng ôû ñaùy ñi ra khoûi thaùp, moät phaàn döôïc ñun, boác hôi ôû noài ñun (15) cung caáp laïi cho thaùp ñeå tieáp tuïc laøm vieäc, phaàn coøn laïi ñöôïc ñöa qua thieát bò laøm nguoäi ñeán nhieät ñoä 350C. SVTH: PHAN THÒ VAÂN ANH Trang 13 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát bò GVHD: VUÕ BAÙ MINH Heä thoáng laøm vieäc lieân tuïc cho ra saûn phaåm ñaùy laø Butanol, saûn phaåm ñænh sau khi laøm nguoäi ñöôïc tích tröõ laïi vì noàng ñoä cuûa butanol ôû saûn phaåm ñænh laø coøn cao neân giöõ laïi ñeå coù theå tieáp tuïc taùch butanol ra khoûi nöôùc. SVTH: PHAN THÒ VAÂN ANH Trang 14 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát bò GVHD: VUÕ BAÙ MINH CHÖÔNG 2 CAÂN BAÈNG VAÄT CHAÁT CAÂN BAÈNG NAÊNG LÖÔÏNG SVTH: PHAN THÒ VAÂN ANH Trang 15 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát bò GVHD: VUÕ BAÙ MINH 1. CAÂN BAÈNG VAÄT CHAÁT: • Caùc soá lieäu ban ñaàu : Naêng suaát nguyeân lieäu : 2000 ( lít/h ) Saûn phaåm ñaùy coù noàng ñoä butanol : 95% theo mol ⇒ xW = 0.05 (phaàn mol nöôùc) Nhaäp lieäu coù noàng ñoä butanol : 80% theo mol ⇒ xF = 0.2 (phaàn mol nöôùc Tæ leä thu hoài röôïu : η = 91%. Thieát bò hoaït ñoäng lieân tuïc. • Caùc kyù hieäu : F : löôïng nhaäp lieäu ban ñaàu ( Kmol/h ) D : löôïng saûn phaåm ñænh ( Kmol/h ) W : löôïng saûn phaåm ñaùy ( Kmol/h ) GF : khoái löôïng nhaäp lieäu ban ñaàu (kg/h) GD : khoái löôïng saûn phaåm ñænh (kg/h) GW : khoái löôïng saûn phaåm ñaùy (kg/h) xF : noàng ñoä mol nöôùc trong nhaäp lieäu xD : noàng ñoä mol nöôùc trong saûn phaåm ñænh xW : noàng ñoä mol nöôùc trong saûn phaåm ñaùy • Phöông trình caân baèng vaät chaát cho toaøn boä thaùp chöng caát : F=D+W(1) F * xF = D * xD + W * xW ( 2 ) W*(1 – xW) = F*(1 - xF)*η • Khoái löôïng rieâng trung bình nhaäp lieäu: tF = 28°C ⇒ ρn = 996.18 (kg/m3) ρr = 804 (kg/m3) ⇒ • x 1 − xF 1 = F + ρtbF ρn ρr (*) Chuyeån töø phaàn khoái löôïng sang phaàn mol:. x F .M n 0.2 ×18 xF = = = 0.0573(phaàn kl nöôùc ) x F .M n + (1 − x F ).M r 0.2 ×18 + 0.8 × 74 xW xW .M n 0.05 ×18 = x .M + (1 − x ).M = 0.05 ×18 + 0.95 × 74 = 0.0126 (phaàn kl W n W r nöôùc) • Tính Mtb : Mtb F = xF * Mn + (1- xF ) * Mr = 0.2 * 18 + (1 – 0.2 ) * 74 = 62.8 ( Kg/Kmol) MtbW = xW * Mn + (1- xW ) * Mr = 0.05* 18 + (1 – 0.05) * 74 SVTH: PHAN THÒ VAÂN ANH Trang 16 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát bò GVHD: VUÕ BAÙ MINH = 71.2 ( Kg/Kmol) • Khoái löôïng nhaäp lieäu : 1 0.0573 1 − 0.0573 Töø (*) ⇒ ρ = 996.18 + 804 ⇒ ρtbF = 812.99 (kg/m3) tbF GF = ρtbF . V = 812.99*2000*10^(-3) = 1625.97 (kg/h) GF 1625.97 F= = = 25.89 (Kmol/h) M tbF 62.8 ( 1 ) vaø ( 2 ) ta coù heä phöông trình : F= D+ W   F* xF = D* xD + W * xW  W * (1 − x ) = F * (1 − x ) *η F F  ⇔ ⇔  D + W = 25.89   D * x D + W * 0.05 = 25.89 * 0.2  W * (1 − 0.05) = 25.89 * (1 − 0.2) * 0.91   D = 6.05( Kmol / h)   W = 19.84( Kmol / h)  x = 0.69(%mol )  D Khoái löôïng rieâng trung bình saûn phaåm ñænh: MtbD = xD*Mn + (1 – xD)*Mr = 0.69*18 + (1 – 0.69)*74 = 35.36 (kg/kmol) x D .M n 0.69 ×18 xD = = 0.69 ×18 + (1 − 0.69) × 74 = 0.3512 x D .M n + (1 − x D ).M r (phaàn kl nöôùc)  GF = 1625.97(kg / h)   GW = W * M tbW = 19.84 * 71.2 = 1412.61(kg / h)  G = G − G = 1625.97 − 1412.61 = 213.36(kg / h)  D F W 1.1. Ñoà thò caân baèng Butanol – Nöôùc : Thaønh phaàn caân baèng loûng (x), hôi (y) tính baèng %mol vaø nhieät ñoä soâi cuûa hoãn hôïp hai caáu töû ôû 760 mmHg ( Butanol – nöôùc ): SVTH: PHAN THÒ VAÂN ANH Trang 17 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát bò x 3.9 y 26.7 t 111.5 1.2. 5.5 32.3 109.6 25.7 62.9 97.9 29.2 65.5 96.7 GVHD: VUÕ BAÙ MINH 49.6 73.6 93.5 55.2 75.0 92.9 57.1 74.8 92.9 97.5 75.2 92.7 98.8 75.8 92.8 98.6 78.4 93.4 99.2 84.3 95.4 99.4 88.4 96.8 Xaùc ñònh chæ soá hoài löu thích hôïp : a. Chæ soá hoài löu toái thieåu : Do nhaäp lieäu ôû traïng thaùi loûng baõo hoøa, neân Rmin ñöôïc xaùc ñònh nhö sau: SVTH: PHAN THÒ VAÂN ANH Trang 18 99.7 92.9 98.3 99.8 95.1 97.4 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát bò GVHD: VUÕ BAÙ MINH x D − y *F Rmin = * yF − xF * xF = 0.20 ⇔ y F = 0.5748 ( Xaùc ñònh töø ñöôøng caân baèng ) xD = 0.69 ⇒ Rmin = 0.307 b. Chæ soá hoài löu thích hôïp : AÙp duïng coâng thöùc (IX.25b), [ 5 ] R = 1.3*Rmin + 0.3 = 1.3*0.307 + 0.3 = 0.699 1.3. Veõ ñöôøng laøm vieäc : Phöông trình ñöôøng laøm vieäc laøm caát : xD R y= x+ R +1 R +1 = 0.411*x + 0.406 Phöông trình ñöôøng laøm vieäc phaàn chöng: y= R+ f f −1 xxW R +1 R +1 Suaát löôïng mol töông ñoái cuûa doøng nhaäp lieäu: f = x D − xW 0.69 − 0.05 = = 4.267 x F − xW 0.2 − 0.05 ⇒ y = 2.293*x – 0.0961 1.4. Xaùc ñònh soá maâm lyù thuyeát vaø soá maâm thöïc teá : Do ñieàu kieän nhaäp lieäu laø loûng baõo hoøa, ta coù ñöôøng nhaäp lieäu laø ñöôøng : x = xF = 0.2 keû caùc ñöôøng laøm vieäc cuûa phaàn caát vaø phaàn chöng treân cuøng ñoà thò ñöôïc soá baäc thang laø 4 , töông öùng vôùi soá maâm lyù thuyeát laø 4 ( keå caû noài ñun ) • Xaùc ñònh hieäu suaát trung bình cuûa thaùp ηtb : ηtb = f ( α , µ ) • y 1 −x α = 1−y : ñoä bay hôi töông ñoái x x, y : noàng ñoä phaàn mol cuûa caáu töû deã bay hôi trong pha loûng, pha hôi Ñoä nhôùt cuûa hoãn hôïp loûng µ : tra theo nhieät ñoä µtb = (η1 + η2 + η3) / 3 η1 , η2 , η3 : laàn löôït laø hieäu suaát ôû maâm ñænh(1), maâm nhaäp lieäu (2) vaø maâm treân noài ñun (3). Töø giaõn ñoà x-y, t-x,y : tìm nhieät ñoä taïi caùc vò trí vaø noàng ñoä pha hôi caân baèng vôùi pha loûng :  Vò trí maâm (1) : SVTH: PHAN THÒ VAÂN ANH Trang 19 ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát bò GVHD: VUÕ BAÙ MINH x1 = 0.4386 y1 = 0.7166 t1 = 94.170C  Vò trí maâm (2) : x2 = 0.2119 y2 = 0.5874 t2 = 99.640C  Vò trí maâm (3) : x3 = 0.1376 y3 = 0.4948 t3 = 103.210C • Xaùc ñònh ñoä nhôùt, ñoä bay hôi töông ñoái, hieäu suaát taïi caùc vò trí : Vò trí maâm (1) : t1 = 94.170C ⇒ µnöôùc = 0.29999 * 10-3 Ns/m2 µbutanol = 0.599 * 10-3 Ns/m2 (Tra baûng I.102 vaø I.101, trang 91, [5]) ⇒ lg µhh = x1* lg µnöôùc + ( 1 – x1 ) * lg µbutanol ⇒ µhh = 0.442*10-3 Ns/m2 α = 3.237 α*µ = 1.431*10-3 ⇒ η1 = 0.45 ( Hình IX.11- Soå tay taäp 2 ) Vò trí maâm (2) : tF = 99.640C ⇒ µnöôùc = 0.283 * 10-3 Ns/m2 µacetone = 0.536 * 10-3 Ns/m2 (Tra baûng I.102 vaø I.101, trang 91, [5]) ⇒ lg µhh = x2 * lg µnöôùc + ( 1 – x2 ) * lg µbutanol ⇒ µhh = 0.468 * 10-3 Ns/m2 α = 5.295 α*µ = 2.478 * 10-3 ⇒ η2 = 0.39 ( Hình IX.11- Soå tay taäp 2 ) Vò trí maâm (3) : tW = 103.210C ⇒ µnöôùc = 0.275 * 10-3 Ns/m2 µacetone = 0.5099 * 10-3 Ns/m2 (Tra baûng I.102 vaø I.101, trang 91, [5]) ⇒ lg µhh = x3 * lg µnöôùc + ( 1 – x3 ) * lg µbutanol ⇒ µhh = 0.468 * 10-3 Ns/m2 α = 6.138 α*µ = 2.873 * 10-3 ⇒ η3 = 0.36 ( Hình IX.11- Soå tay taäp 2 ) ⇒ µhh = ( µ1 + µ2 + µ3 )/3 SVTH: PHAN THÒ VAÂN ANH Trang 20