Chưng luyện Acid acetic - Nước
GVHD: Hoàng Minh Nam
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
SVTH
MSSV
Lớp
Ngành
: Thầy Hoàng Minh Nam
: Văn Thị Ánh Minh
: 60301693
: HC03 – TP2
: Hóa - thực phẩm
Năm học 2005-2006
Trang 1
Chưng luyện Acid acetic - Nước
GVHD: Hoàng Minh Nam
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
Trang 2
Chưng luyện Acid acetic - Nước
GVHD: Hoàng Minh Nam
CHƯƠNG VII: TÍNH KINH TẾ. .................................................................................. 53
Lời kết… ……………… ................................................................................................. 55
Tài liệu tham khảo ........................................................................................................... 55
Trang 3
Chưng luyện Acid acetic - Nước
GVHD: Hoàng Minh Nam
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.
Chương 1
Trang 4
Chưng luyện Acid acetic - Nước
GVHD: Hoàng Minh Nam
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…
Trang 5
Chưng luyện Acid acetic - Nước
GVHD: Hoàng Minh Nam
- 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:
Ưu
điểm
Nhược
điểm
Tháp chêm
- 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.
- 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.
Tháp mâm xuyên lỗ
- Trở lực tương đối thấp.
- Hiệu suất khá cao.
Tháp mâm chóp
- Khá ổn định.
- Hiệu suất cao.
- 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,
o
T sôi = 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.
Coban axetat ôû 80 o C
CH3CHO + ½ O2
→ CH3COOH
Trang 6
Chưng luyện Acid acetic - Nước
GVHD: Hoàng Minh Nam
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
: 00 C
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.
Trang 7
Chưng luyện Acid acetic - Nước
10.
11.
12.
13.
14.
15.
GVHD: Hoàng Minh Nam
Áp kế.
Thiết bị đun sôi đáy tháp.
Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy.
Bồn chứa sản phẩm đáy.
Bộ phận chia dòng.
Bồn chứa sản phẩm đỉnh.
Trang 8
Chưng luyện Acid acetic - Nước
GVHD: Hoàng Minh Nam
3
9
t° = 40°C
T
Nöôùc laøm laïn h
t° = 25°C
14
P 10
Hôi ñoát
P = 2,5at
4
8
Nöôùc
7
5
T
Nöôùc ngöng
6
T
1
2
11
Hôi ñoát
P = 2,5at
x = 92%
t° = 25°C
12
Nöôùc laøm laïn h
t° = 25°C
t° = 35°C
13
x =72%
t° = 40°C
Trang 9
Nöôùc
ngöng
Chưng luyện Acid acetic - Nước
GVHD: Hoàng Minh Nam
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.
Trang 10
Chưng luyện Acid acetic - Nước
GVHD: Hoàng Minh Nam
Axit axetic : CH 3 COOH ⇒ M A = 60 (g / mol)
Hỗn hợp:
Nöôùc : H 2 O ⇒ M N = 18 (g / mol)
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]:
x
x
1
0,92
0.08
= FN + FA =
+
⇒ ρhh = 1000 (kg/m3)
ρ hh ρ N ρ A 996,5 1042,75
Năng suất nhập liệu : GF = 0,5 (m3/h) × 1000 (kg/m3) = 500 (kg/h)
G F = G D + G W
Đun gián tiếp :
G F x F = G D x D + G W x W
GW
GF
GD
=
=
⇔
xD − x W xF − xW xD − xF
x − xW
92 − 72
Nên : GD = F
GF =
500 = 363,64 (kg/h)
x D − xW
99,5 − 72
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:
Trang 11
Chưng luyện Acid acetic - Nước
GVHD: Hoàng Minh Nam
xF
0,92
MN
18
xF =
=
= 0,9746 (mol nước/ mol hỗn hợp)
xF 1 − xF
0,92 1 − 0,92
+
+
18
60
MN
MA
xW
0,72
MN
18
xW =
=
= 0,8955 (mol nước/ mol hỗn hợp)
xW 1 − xW
0,72 1 − 0,72
+
+
18
60
MN
MA
xD
0,995
MN
18
xD =
=
= 0,9985 (mol nước/ mol hỗn hợp)
xD 1 − xD
0,995 1 − 0,955
+
+
18
60
MN
MA
2. Suất lượng mol tương đối của dòng nhập liệu:
f =
x D − xW 0,9985 − 0,8955
=
= 1,30215
x F − xW 0,9746 − 0,8955
3. Tỉ số hoàn lưu làm việc:
Trang 12
Chưng luyện Acid acetic - Nước
GVHD: Hoàng Minh Nam
yF
xF
Hình 1: Đồ thị cân bằng pha của hệ Nước – Axit axetic
Dựa vào hình 1 ⇒ yF* = 0,9819
x − y F* 0,9985 − 0,9819
Tỉ số hoàn lưu tối thiểu: Rmin = D*
=
= 2,274
y F − x F 0,9819 − 0,9746
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:
nHD
L
nHD
L
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:
G
1547,71
nHD = HD =
= 85,684 (kmol/h)
M HD 18,063
Trang 13
Chưng luyện Acid acetic - Nước
GVHD: Hoàng Minh Nam
Suất lượng khối lượng của dòng hoàn lưu:
GL = RGD = 3,2562 . 363,64 = 1184,07 (kg/h)
Suất lượng mol của dòng hoàn lưu:
GL
1184,07
=
L=
= 65,55 (kmol/h)
M LD
18,063
2. Tại mâm nhập liệu:
nHF
nLF
nHF
n’LF
F
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:
G
500
F= F =
= 26,223 (kmol/h)
M F 19,067
Và: nLF = L = 65,55 (kmol/h)
n’LF = L + F = 65,55 + 26,223 = 91,773 (kmol/h)
nHF = nHD = 85,684 (kmol/h)
3. Tại đáy tháp:
nHW
nLW
W
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
= 0,8955. 18 + (1 – 0,8955). 60 = 22,389 (kg/mol)
Suất lượng mol của dòng sản phẩm đáy:
G
136,36
= 6,09 (kmol/h)
W= W =
M LW 22,389
Và: nLW = n’LF = 65,55 (kmol/h)
nHW = nHF = nHD = 85,684 (kmol/h)
Chương 4
TÍNH CÂN BẰNG NHIỆT
Chọn hơi đốt là hơi nước ở 2,5at
Tra bảng 1.251, trang 314, [5]:
Nhiệt hóa hơi: rH 2O = rn = 2189500 (J/kg)
Trang 14
Chưng luyện Acid acetic - Nước
GVHD: Hoàng Minh Nam
Nhiệt độ sôi: t H2 O = tn = 126,25 (oC)
Dòng sản phẩm tại đáy có nhiệt độ:
Trước khi vào nồi đun (lỏng): tS1 = 100,6315 (oC)
Sau khi được đun sôi (hơi): tS2 = 100,966 (oC)
Cân bằng nhiệt cho toàn tháp:
Qđ + GFhFS = (R+1) GDrD + GDhDS + GWhWS + Qm
Giả sử Qm = 0,05Qđ ⇒ 0,95Qđ = (R+1) GDrD + GD(hDS – hFS) + GW(hWS – hFS)
• hFS = cF.tFS = [ x F c N + (1 − x F )c A ]tFS
• hWS = cW.tWS = [ x W c N + (1 − x W )c A ]tWS
• hDS = cD.tDS = [ x D c N + (1 − x D )c A ]tDS
• rD = x D rN + (1 − x D )rA
Với xF = 0,9746 ⇒ tFS = 100,1524 oC
xW = 0,8955⇒ tWS = 100,6315 oC
xD = 0,9985 ⇒ tDS = 100,009 oC
1.1.Nhiệt dung riêng:
Tra bảng 1.249, trang 310, [5]
Nhiệt dung riêng của nước ở 100,009 oC = 4,220012 (kJ/kg.K)
Nhiệt dung riêng của nước ở 100,1524 oC = 4,220198 (kJ/kg.K)
Nhiệt dung riêng của nước ở 100,6315 oC = 4,220821 (kJ/kg.K)
Tra bảng 1.154, trang 172, [5]
Nhiệt dung riêng của axit axetic ở 100,009 oC = 2,430047 (kJ/kg.K)
Nhiệt dung riêng của axit axetic ở 103,1524 oC = 2,4308 (kJ/kg.K)
Nhiệt dung riêng của axit axetic ở 100,6315 oC = 2,433315 (kJ/kg.K)
1.2.Enthalpy:
• hFS = ( 0,92 . 4,220198 + 0,08 . 2,4308 ) . 100,1524 = 408,326 (kJ/kg)
• hWS = ( 0,72 . 4,220821 + 0,28 . 2,433315 ) . 100,6315 = 374,381 (kJ/kg)
• hDS = ( 0,995 . 4,220012 + 0,005 . 2,430047 ) . 100,009 = 421,144 (kJ/kg)
1.3.Nhiệt hóa hơi:
Tra bảng 1.250, trang 312, [5]
Nhiệt hóa hơi của nước ở 100,009 oC = rN = 2261,326 (kJ/kg)
Dùng toán đồ 1.65, trang 255, [5]
Nhiệt hóa hơi của axit axetic ở 100,009oC = rA = 100 (Kcal/kg) = 418,6 (kJ/kg)
Tra bảng 1.251, trang 314, [5]
Nhiệt hóa hơi của nước ở 2,5 at = rH 2 O = 2189,5 (kJ/kg)
Nên: rD = 0,995 . 2261,326 + 0,005 . 418,6 = 2252,112 (kJ/kg)
Nhiệt lượng cần cung cấp:
(R + 1)G D rD + G D (h DS − h FS ) + G W ( h WS − h FS )
Qđ =
= 3481914,263 (kJ/h)
0,95
Nếu dùng hơi nước bão hòa (không chứa ẩm) để cấp nhiệt thì: Qđ = G H 2 O . rH 2O
Vậy lượng hơi nước cần dùng là : G H 2 O =
Qñ
= 1590,278 (kg/h)
rH 2 O
Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy
Chọn:
Nước làm lạnh đi trong ống trong với nhiệt độ vào tV = 25oC và nhiệt độ ra tR = 35oC.
Sản phẩm đáy đi trong ống ngoài với nhiệt độ vào tWS = 100,6315oC và nhiệt độ ra tWR
= 40oC.
Trang 15
Chưng luyện Acid acetic - Nước
GVHD: Hoàng Minh Nam
Cân bằng nhiệt: Q = GW(hWS – hWR) = Gn (hR – hV)
Nhiệt dung riêng của nước ở 40oC = 4,178 (kJ/kg.K)
Nhiệt dung riêng của axit ở 40oC = 2,1(kJ/kg.K)
Nên: hWR = (0,72. 4,178 + 0,28. 2,1). 40 = 143,8464 (kJ/kg)
Tra bảng 1.250, p312, ST I ⇒ Enthalpy của nước ở 25oC : hV = 104,75 (kJ/kg)
⇒ Enthalpy của nước ở 35oC : hR = 146,65 (kJ/kg)
Lượng nhiệt trao đổi: Q = GW(hWS – hWR) = 31435,7 (kJ/h)
Q
Suất lượng nước lạnh cần dùng: G n =
= 750,255 (kg/h)
hR − hV
Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh
Chọn:
Nước làm lạnh đi trong ống với nhiệt độ vào tV = 25oC và nhiệt độ ra tR = 40oC.
Dòng hơi tại đỉnh đi ngoài ống với nhiệt độ ngưng tụ tngưng = 100,009 (oC)
Cân bằng nhiệt: Qnt = (R + 1)GDrD = Gn (hR – hV)
Nên: Qnt = (R + 1)DrD = 3485616,314 (kJ/h)
Tra bảng 1.250, p312, ST I ⇒ Enthalpy của nước ở 25oC : hV = 104,75 (kJ/kg)
⇒ Enthalpy của nước ở 40oC : hR = 167,6 (kJ/kg)
Q nt
Lượng nước cần dùng: G n =
= 55459,3 (kg/h)
hR − hV
Thiết bị đun sôi dòng nhập liệu
Chọn:
Dòng nhập liệu đi trong ống trong với nhiệt độ vào tV = tFV = 25 oC và nhiệt độ ra tR =
tFS = 100,1524 oC.
Hơi ngưng tụ đi trong ống ngoài có áp suất 2,5at:
Nhiệt hóa hơi: rH 2O = rn = 2189500 (J/kg)
Nhiệt độ sôi: t H 2O = tn = 126,25 (oC)
Tra bảng 1.249, trang 310, [5]
⇒ Nhiệt dung riêng của nước ở 25oC = 4,178(kJ/kg.K)
Tra bảng 1.154, trang 172, [5]
⇒ Nhiệt dung riêng của axit axetic ở 25 oC = 2,0205 (kJ/kg.K)
⇒ hFV = cF.tFV = [ x F c N + (1 − x F )c A ]tFV = (0,92. 4,178 + 0,08. 2,0205). 25
= 100,135 (kJ/kg)
Cân bằng nhiệt: Q = GF(hFS – hFV) = Gnrn
Nên: Q = GF(hFS – hFV) = 500.(408,326 – 100,135) = 154095,5 (kJ/h)
Q
Lượng hơi đốt cần dùng: G n = = 70,3793 (kg/h)
rn
Chương 5
TÍNH THIẾT BỊ CHÍNH
(Tháp mâm xuyên lỗ)
Phương trình đường làm việc :
Phần luyện: y =
x
R
3,2562
0,9985
x+ D =
x+
R +1
R + 1 3,2562 + 1
3,2562 + 1
Trang 16
Chưng luyện Acid acetic - Nước
GVHD: Hoàng Minh Nam
= 0,765x + 0,2346
R+ f
1− f
3,2562 + 1,30215
1 − 1,30215
x+
xW =
x+
× 0,8955
Phần chưng: y =
R +1
R +1
3,2562 + 1
3,2562 + 1
= 1,071x – 0,06357
I.
ĐƯỜNG KÍNH THÁP :
1. Phần luyện:
1.1. Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng trong phần luyện:
Nồng độ phần mol trung bình của pha lỏng trong phần luyện:
x + x F 0,9985 + 0,9746
xL = D
=
= 0,9865 (mol nước/ mol hỗn hợp)
2
2
Dựa vào hình 2
⇒ Nhiệt độ trung bình của pha lỏng trong phần luyện: TLL = 100,08 (oC)
Nồng độ phần khối lượng trung bình của pha lỏng trong luyện:
x + x F 0,995 + 0,92
xL = D
=
= 0,9575 (kg nước/ kg hỗn hợp)
2
2
Tra bảng 1.249, trang 310, [5]
⇒ Khối lượng riêng của nước ở 100,08oC: ρNL = 958,341 (kg/m3)
Tra bảng 1.2, trang 9, [5]
⇒ Khối lượng riêng của axit axetic ở 100,08oC: ρAL = 957,856 (kg/m3)
Áp dụng trong công thức (1.2), trang 5, [5]:
x
1 − xL
1
0,9575 1 − 0,9575
= L +
=
+
⇒ ρLL = 958,32 (kg/m3)
ρ LL ρ NL
ρ AL
958,341 957,856
1.2. Khối lượng riêng trung bình của pha hơi trong phần luyện:
Nồng độ trung bình của pha hơi trong phần luyện:
yL = 0,765xL + 0,2346 = 0,765 . 0,9865 + 0,2346 = 0,98927
Dựa vào hình 2
⇒ Nhiệt độ trung bình của pha hơi trong phần luyện: THL = 100,092 (oC)
Khối lượng mol trung bình của pha hơi trong phần luyện :
MHL = yL. MN + (1 – yL). MA
= 0,98927.18 + (1 – 0,98927). 60 = 18,45 (kg/kmol)
Khối lượng riêng trung bình của pha hơi trong phần luyện:
PM HL
1 × 18,45
ρ HL =
=
= 0,6027 (kg/m3)
22,4
RTHL
× (100,092 + 273)
273
Trang 17
Chưng luyện Acid acetic - Nước
GVHD: Hoàng Minh Nam
118
117
116
115
114
113
112
111
110
109
108
107
106
105
104
103
102
101
100
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 Nước – Axit axetic
1.3. Tính vận tốc pha hơi đi trong phần luyện:
Tra bảng IX.4a, trang 169, [6] :Với đường kính tháp trong khoảng 0,8 ÷ 0,9(m) thì khoảng
cách mâm là: ∆h = 300 (mm) = 0,3 (m)
Tra đồ thị 6.2, trang 256, [4] ⇒ C = 0,032
Vận tốc pha hơi đi trong phần luyện:
ρ
958,32
ω L = C LL = 0,032
= 1,276 (m/s)
ρ HL
0,6027
1.4. Tính đường kính phần luyện:
Suất lượng mol của pha hơi trong phần luyện: nHL = nHD = 85,684 (kmol/h)
Suất lượng thể tích của pha hơi trong phần luyện:
22,4
85,684 ×
× (100,092 + 273)
n HL RTHL
273
= 0,7286 (m3/s)
Q HL =
=
3600 × P
3600 × 1
4QHL
4 × 0,7286
=
Đường kính phần luyện: φ L =
= 0,852657 (m)
πω L
π × 1,276
2. Phần chưng:
Tính toán tương tự như phần luyện ⇒ ta có bảng kết quả sau:
xc
xC
TLC
rNC
Trang 18
rAC
rLC
Chưng luyện Acid acetic - Nước
0,935
0,82
yc
THC
0,937815 100,533
GVHD: Hoàng Minh Nam
100,39
MHC
20,612
958,111 957,298 957,96
rHC
0,67252
wC
1,2077
QHC
0,7295
fC
0.877
Vì fL ≈ fC ⇒ ta có thể lấy đường kính của toàn tháp là đường kính của phần chưng
Chọn f = 0,85 (m)
Kết luận: đường kính tháp là f = 0,85 (m)
Vận tốc pha hơi trong phần chưng và phần luyện theo thực tế:
4Q HC 4 × 0,7295
=1,285575 (m/s)
=
ωC =
πφ 2
π × 0,85 2
4Q
4 × 0,7286
=
=1,284 (m/s)
ω L = HL
2
πφ
π × 0,85 2
Trang 19
Chưng luyện Acid acetic - Nước
GVHD: Hoàng Minh Nam
Phần chưng
Số mâm lý thuyết : 7
Phần luyện
Đường chưng :
Y = 1,071x – 0,06357
Trang 20
- Xem thêm -
.PDF 
56 
188 
114 
