Đề tài Thiết kế hệ thống chưng luyện liên tục làm việc ở áp suất thường để tách hỗn hợp axeton – nước

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN KỸ THUẬT HÓA HỌC
BỘ MƠN Q TRÌNH THIẾT BỊ TRONG CƠNG NGHIỆP HĨA CHẤT VÀ
THỰC PHẨM
o0o

ĐỒ ÁN MÔN HỌC
Đề tài: Thiết kế hệ thống chưng luyện liên tục làm việc ở
áp suất thường để tách hỗn hợp axeton – nước

Sinh viên thực hiện: Phan Thị Huyền Trang
MSSV: 20180984
Lớp: Kỹ thuật hóa học 08 – K63
Giảng viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn Xá

Hà Nội, 2022


VIỆN KỸ THUẬT HỐ HỌC

CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

BỘ MƠN Q TRÌNH - THIẾT BỊ
CƠNG NGHỆ HỐ HỌC VÀ THỰC PHẨM
___________________

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ

THIẾT KẾ ĐỒ ÁN MÔN HỌC CH3440

Họ và tên: Phan Thị Huyền Trang
Lớp: 710104

MSSV:20180984
Khóa:k63

I. Đầu đề thiết kế: Thiết kế và tính tốn hệ thống chưng luyện liên tục làm
việc ở áp suất thường để tách hỗn hợp hai cấu tử: axeton nước
Hỗn hợp đầu vào tháp ở nhiệt độ sôi. Tháp loại : kiểu c: đĩa lỗ không có ống
chảy chuyền.
II. Các số liệu ban đầu:
- Năng suất thiết bị tính theo hỗn hợp đầu : 7500 kg/h;
- Nồng độ tính theo cấu tử dễ bay hơi trong:
+ hỗn hợp đầu 42,5% khối lượng;
+ sản phẩm đỉnh 98,5% khối lượng;
+ sản phẩm đáy 1,7% khốilượng
III. Nội dung các phần thuyết minh và tính tốn:
1. Phần mở đầu
2. Vẽ và thuyết minh sơ đồ công nghệ (bản vẽ A4)
3. Tính tốn kỹ thuật thiết bị chính
4. Tính và chọn thiết bị phụ
5. Kết luận
6. Tài liệu tham khảo.
IV.
Các bản vẽ
- Bản vẽ dây chuyền công nghệ: khổ A4
- Bản vẽ lắp thiết bị chính: khổ A1
V.
Cán bộ hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn Xá
VI.

Ngày giao nhiệm vụ:
ngày 11 tháng 10 năm 2021
VII. Ngày phải hoàn thành: ngày 27 tháng 01 năm 2022
Phê duyệt của Bộ môn
Ngày tháng năm 2021
Người hướng dẫn
(Họ tên và chữ ký)
TS. Nguyễn Văn Xá


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 4
NỘI DUNG ........................................................................................................ 6
PHẦN I: TỔNG QUAN QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT AXETON VÀ
NƯỚC ............................................................................................................ 6
1. Sơ đồ công nghệ PFD và thuyết minh sơ đồ ....................................... 6
a. Sơ đồ công nghệ PFD ........................................................................ 6
b. Các thiết bị sử dụng trong sơ đồ ........................................................ 6
c. Thuyết minh sơ đồ.............................................................................. 6
2. Hỗn hợp hai cấu tử axeton và nước .................................................... 7
2.1. Giới thiệu chung ............................................................................. 7
2.2. Ứng dụng của axeton trong công nghiệp và dân dụng................... 8
2.3. Các phương pháp sản xuất axeton ................................................. 9
3. Tổng quan về phương pháp chưng luyện hai cấu tử ........................ 10
PHẦN II: TÍNH TỐN KỸ THUẬT THIẾT BỊ CHÍNH ........................ 13
1. Tính cân bằng vật liệu........................................................................ 13
2. Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp ...................................................... 14
2.1. Xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu Rmin ........................................... 14
2.2. Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp RTH.......................................... 16
3. Tính đường kính tháp chưng luyện................................................... 23

3.1. Tính đường kính đoạn luyện ........................................................ 23
3.2. Tính đường kính đoạn chưng ....................................................... 29
4. Xác định chiều cao tháp ..................................................................... 34
4.1. Xác định hiệu suất chuyển khối trung bình của tháp .................. 34
4.2. Xác định chiều cao của tháp ......................................................... 37
5. Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện .................................... 38
5.1. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu .......... 38
5.2. Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện ............................... 40
5.3. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ................................. 44
5.4. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm mát .................................. 45
6. Trở lực của tháp ................................................................................. 45
6.1. Trở lực của đĩa khô ....................................................................... 46
1


6.2. Trở lực do sức căng bề mặt ........................................................... 49
6.3. Trở lực thủy tĩnh của lớp chất lỏng trên đĩa ................................. 50
6.4. Tổng trở lực của tháp.................................................................... 51
7. Tính tốn cơ khí ................................................................................. 52
7.1. Tính chiều dày thân tháp .............................................................. 52
7.2. Tính chiều dày đáy, nắp ................................................................ 56
7.3. Tính các ống dẫn vào và ra khỏi tháp........................................... 58
7.3.1. Ống dẫn nguyên liệu đầu ......................................................... 58
7.3.2. Ống dẫn hơi ra khỏi đỉnh tháp ................................................. 59
7.3.3. Ống tháo sản phẩm đáy ........................................................... 60
7.3.4. Ống dẫn lượng lỏng hồi lưu ở đỉnh .......................................... 60
7.3.5. Ống dẫn hơi sau khi gia nhiệt ở đáy tháp................................. 61
7.4. Chọn các mặt bích ........................................................................ 62
7.5. Tính chân đỡ của tháp .................................................................. 63
7.5.1. Tải trọng cực đại của tồn tháp ............................................... 64

7.5.2. Tính và chọn chân đỡ ............................................................... 67
PHẦN III: TÍNH TỐN KỸ THUẬT THIẾT BỊ PHỤ TRỢ .................. 71
1. Tính thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu ................................................... 71
1.1. Hiệu số nhiệt độ trung bình .......................................................... 71
1.2. Tính nhiệt tải trung bình .............................................................. 72
1.2.1. Xác định chế độ chảy của hỗn hợp lỏng trong ống qua chuẩn số
Reynold ................................................................................................ 72
1.2.2. Tính hệ số cấp nhiệt của dung dịch 2 ..................................... 74
1.2.3. Tính hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ 1 ................................. 75
1.2.4. Tổng trở nhiệt thành ống ......................................................... 76
1.2.5. Nhiệt tải riêng trung bình......................................................... 76
1.3. Bề mặt trao đổi nhiệt và đường kính thiết bị ................................ 76
2. Tính bơm hỗn hợp đầu ...................................................................... 77
2.1. Áp suất toàn phần của bơm .......................................................... 78
2.1.1. Áp suất động lực học, Δpđ ........................................................ 78
2.1.2. Áp suất để khắc phục trở lực ma sát khi dòng chảy ổn định trong
ống thẳng, Δpm. .................................................................................... 79
2


2.1.3. Áp suất cần thiết để khắc phục trở lực cục bộ, Δpc ................... 81
2.1.4. Áp suất cần thiết để nâng chất lỏng lên cao hoặc để khắc phục
áp suất thủy tĩnh, pH........................................................................... 81
2.1.5. Áp suất cần thiết để khắc phục trở lực trong thiết bị, pt ......... 82
2.1.6. Áp suất bổ sung ở cuối ống dẫn trong những trường hợp cần
thiết, Δpk............................................................................................... 84
2.2. Công suất lắp đặt cho bơm ............................................................ 84
3. Tính tốn thiết bị ngưng tụ đỉnh tháp ............................................... 85
3.1. Hiệu số nhiệt độ trung bình .......................................................... 85
3.2. Tính nhiệt tải trung bình .............................................................. 86

3.2.1. Xác định chế độ chảy của hỗn hợp lỏng trong ống qua chuẩn số
Reynold ................................................................................................ 87
3.2.2. Tính hệ số cấp nhiệt của dung dịch 2 ..................................... 87
3.2.3. Tính hệ số cấp nhiệt của hơi ở sản phẩm đỉnh, 1 .................... 89
3.2.4. Tổng trở nhiệt thành ống ......................................................... 89
3.2.5. Nhiệt tải riêng trung bình......................................................... 90
3.3. Bề mặt trao đổi nhiệt và đường kính thiết bị ................................ 90
KẾT LUẬN ..................................................................................................... 92
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................... 93

3


MỞ ĐẦU
Trong thời đại cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, ngành cơng nghiệp hóa
chất là một ngành có lịch sử đâu đời, có những đóng góp quan trọng trong hầu hết
các ngành công nghiệp. Với ứng dụng rộng lớn, ngành cơng nghiệp hóa chất có
thể khai thác mọi thế mạnh từ tài ngun khống sản, dầu khí, cho đến sản phẩm,
thậm chí cả phế phẩm cơng, nơng nghiệp. Mặc dù hiện nay, nhìn chung ngành
hóa chất vẫn cịn lạc hậu, kém phát triển so với các nước khác, tuy nhiên, nó cũng
đang từng bước phát triển mạnh mẽ, các công ty, nhà máy sản xuất liên tục được
xây dựng với những công nghệ tiên tiến nhất.
Trong các quá trình sản xuất, pha chế ra các sản phẩm hóa học thì khơng thể khơng
kể đến các dung mơi cơng nghiệp, chúng là hóa chất khơng thể thiếu trong các
ngành công nghiệp nặng, công nghiệp nhẹ. Và một trong những dung môi phổ
biến nhất là axeton.
Axeton là một chất lỏng trong suốt, bay hơi nhanh và có mùi ngọt gắt, nó có khả
năng tan vơ hạn trong nước và nhiều loại dầu mỡ động, thực vật. Nhờ có khả năng
bay hơi nhanh mà axeton được sử dụng nhiều trong sản xuất sơn mau khơ, sơn
móng tay và và các loại mỹ phẩm…Ngồi ra, axeton cịn là dung mơi trong nhiều

loại chất tẩy rửa, trong ngành công nghệ tổng hợp hữu cơ hóa dầu, hay có thể làm
hóa chất trung gian...
Là một hóa chất được phát hiện từ khá lâu, khi đó, để sản xuất axeton, người ta
đã chưng cất khơ muối axetat nhờ phản ứng decarboxyl hay lên men hỗn hợp
axeton-etanol nhờ vi khuẩn Clostridium acetobutylicum. Tuy nhiên cả hai phương
pháp này đều không cho hiệu quả cao. Hiện nay, axeton đa phần được sản xuất
trực tiếp hoặc gián tiếp từ propen, phải đến 82% axeton được tạo ra bằng phương
pháp cumen. Hay sản xuất trực tiếp từ propen bằng cách oxi hóa hoặc hidro hóa.
Ngồi ra, axeton cịn là sản phẩm phụ của quá trình lên men.
Trong các phương pháp kể trên, để tạo ra axeton, các phương pháp trên đều phải
thực hiện bước cuối cùng là tách axeton và nước để tăng độ tinh khiết của axeton.
Hỗn hợp axeton là hỗn hợp lỏng đồng nhất nhưng có nhiệt độ sôi khác xa nhau,
nhiệt độ sôi của nước ở áp suất thường là 100C và của axeton là 56,5C. Vì vậy,
ta có thể tách hai cấu tử này độc lập với nhau bằng phương pháp chưng luyện.

4


Trong thời đại tự động hóa, q trình chưng cất cần được tiến hành liên tục và
đồng thời có các biện pháp khắc phục các hỏng hóc mà khơng làm gián đoạn q
trình. Cùng với đó là nâng cao hiệu suất, giảm chi phí đầu tư, gia tăng giá trị kinh
tế cho sản phẩm. Để làm được điều đó, trước tiên cần phải có những nghiên cứu,
thí nghiệm và dần được vào sản xuất với quy mô công nghiệp. Nhiệm vụ và mục
tiêu của đồ án này là để nghiên cứu thiết kế, tính tốn hệ thống chưng luyện liên
tục làm việc ở áp suất thường để tách hỗn hợp hai cấu tử axeton và nước với kiểu
tháp đĩa lỗ khơng có ống chảy chuyền.
Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Văn Xá đã chỉ dẫn tận tình và chỉ bảo em
trong suốt quá trình thực hiện đồ án này. Đồng thời, em xin gửi cảm ơn đến các
thầy cơ và các bạn đã giúp em có những kiến thức bổ ích để em có khả năng hồn
thiện đồ án. Tuy nhiên, do kiến thức vẫn còn nhiều hạn chế nên trong đồ án vẫn

cịn nhiều sai sót, em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp từ quý thầy cô
và các bạn.

5


NỘI DUNG
PHẦN I: TỔNG QUAN QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT AXETON VÀ NƯỚC
1. Sơ đồ công nghệ PFD và thuyết minh sơ đồ
a. Sơ đồ cơng nghệ PFD
(được trình bày trong bản A4 đính kèm)
b. Các thiết bị sử dụng trong sơ đồ
Bảng 1: Các thiết bị sử dụng tronng sơ đồ
STT

Ký hiệu

Tên các thiết bị

1

E-1

Tháp chưng luyện

2

T-1

Thùng chứa hỗn hợp đầu

3

T-2

Thùng chứa sản phẩm đáy

4

T-3

Thùng chứa sản phẩm đỉnh

5

H-1

Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu

6

H-2

Thiết bị đun sôi đáy tháp

7

C-1

Thiết bị làm lạnh sản phẩm đáy

8

C-2

Thiết bị ngưng tụ đỉnh tháp

9

C-3

Thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh

10

R-1

Cơ cấu hồi lưu sản phẩm đỉnh

11

R-2

Cơ cấu hồi lưu hơi ở đáy tháp

12

P-1

Bơm

13

P-2

Bơm dự phòng

14

X-1

Thiết bị tháo nước ngưng sau thiết bị gia nhiệt
hỗn hợp đầu

15

X-2

Thiết bị tháo nước ngưng sau thiết bị đun sôi
đáy tháp

16

F-1

Lưu lượng kế đo lưu lượng hỗn hợp đầu

17

F-2

Lưu lượng kế đo lượng sản phẩm đỉnh

18

V-1,…V-7

Hệ thống các van

c. Thuyết minh sơ đồ
Dung dịch hỗn hợp đầu từ thùng chứa T-1 được bơm P-1 bơm liên tục vào thiết
bị gia nhiệt hỗn hợp đầu H-1 qua van V-1 và lưu lượng kế F-1. Bơm P-1 và P-2
được lắp song song với nhau khi bơm P-1 bị hỏng để hệ thống có thể vận hành
6


liên tục. Tại thiết bị gia nhiệt H-1, hỗn hợp được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi rồi tiếp
tục đưa vào tháp chưng luyện E-1 tại đĩa tiếp liệu.
Trong tháp chưng luyện, hơi đi từ dưới lên gặp lỏng đi từ trên xuống, ở đây có
sự tiếp xúc và trao đổi giữa hai pha với nhau. Nồng độ các cấu tử thay đổi theo
chiều cao của tháp, càng xuống phía dưới đáy tháp, nồng độ cấu tử dễ bay hơi
càng giảm. Nhiệt độ cũng thay đổi theo độ cao, càng lên cao nhiệt độ càng giảm,
khi hơi đi qua các đĩa từ dưới lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao sẽ ngưng tụ lại rơi
xuống đáy tháp, cấu tử có nhiệt độ sơi thấp tiếp tục đi lên trên. Quá trình bốc hơi
và ngưng tụ được lặp lại nhiều lần bên trong tháp.
Phần lỏng rơi xuống đáy tháp giàu cấu tử khó bay hơi hơn, qua cơ cấu hồi lưu
đáy tháp R-2, một phần sẽ được ngưng tụ lại thành sản phẩm qua thiết bị làm lạnh
sản phẩm đáy C-1 rồi về thùng chứa sản phẩm đáy T-2, một phần sẽ được đưa qua
thiết bị đun sôi đáy tháp H-2, được gia thiệt đến nhiệt độ sôi để hồi lưu lại tháp
chưng luyện.

Phần hơi bay lên có nhiều cấu tử dễ bay hơi được đưa đến thiết bị ngưng tụ
đỉnh tháp C-2 ngưng tụ hoàn toàn lượng hơi bay ra thành lỏng. Một phần lỏng sẽ
được hồi lưu lại tháp chưng rơi xuống đáy tháp, một phần được đưa đến thiết bị
làm lạnh sản phẩm đỉnh C-3 đến nhiệt độ cần thiết rồi đi vào thùng chứa sản phẩm
đỉnh T-3.
Như vậy, với thiết bị chưng luyện làm việc liên tục thì hỗn hợp đầu được đưa
vào liên tục, sản phẩm được tháo ra liên tục.
2. Hỗn hợp hai cấu tử axeton và nước
2.1. Giới thiệu chung
 Axeton còn được gọi là dimethyl keton, là hợp chất hữu cơ, có cơng thức hóa
học là (CH3)2CO. Đó là chất lỏng trong suốt, dễ bay hơi và rất dễ cháy với mùi
ngọt gắt đặc trưng, là dạng axeton cơ bản nhất. Axeton có nhiệt độ sơi khoảng
56C-57C ở áp suất thường, là hợp chất tan vô hạn trong nước.
 Một số thơng số vật lý của axeton:
 Điểm nóng chảy (°C): -94,6.
 Điểm sôi (°C): 56,5.
 Độ nhớt : 0.316cP (25C).
 Mật độ tương đối (nước = 1): 0,788.
 Mật độ hơi tương đối (khơng khí = 1): 2,00.
 Áp suất hơi bão hòa (kPa): 53,32 (39,5°C).
7


 Nhiệt lượng đốt cháy (kJ/mol): 1788,7.
 Nhiệt độ giới hạn (°C): 235,5.
 Nước là một hợp chất vô cơ có cơng thức hóa học là H2O, là chất lỏng khơng

màu, khơng mùi, khơng vị, khơng bắt cháy, có nhiệt độ sơi ở áp suất thường là
100C.
 Vì vậy, để có thể tách hỗn hợp axeton-nước có thể tách bằng phương pháp

chưng cất nhờ sự chênh lệch nhiệt độ sôi khá lớn.
2.2. Ứng dụng của axeton trong công nghiệp và dân dụng
Axton là hợp chất có ứng dụng đa dạng trong cả cơng nghiệp, y tế, thí nghiệm
và dân dụng.


Trong công nghiệp:
Sử dụng làm dung môi
Aceton là một trong những dung môi công nghiệp phổ biến, được dùng nhiều
trong sản xuất chất dẻo, nhựa, plastic, sản xuất sơn, Đặc biệt cịn là dung mơi cho
cao su tổng hợp, acrylic, nitrocellulose và nhiều ngành công nghiệp khác.



Axeton là một dung môi tốt cho nhựa và một số sợi tổng hợp. Axeton được
dùng để pha loãng nhựa polieste, được sử dụng trong các chất tẩy rửa, dụng cụ
làm sạch. Dùng để pha keo epoxy 2 thành phần trước khi đóng rắn và được sử
dụng như một trong những thành phần dễ bay hơi của một số loại sơn và vecni.
Như một chất tẩy nhờn nặng, axeton rất hữu ích trong việc làm sạch kim loại trước
khi sơn và cũng đê loại bỏ nhựa thông sau khi hàn xong.



Mặc dù dễ cháy, axeton được sử dụng rộng rãi như một dung môi để vận chuyển
và lưu trữ axetilen, vì chất này khi chịu áp suất lớn dưới dạng hợp chất tinh khiết
sẽ không an toàn. Các thùng chứa bao giờ cũng chứa axetilen được hịa tan trong
axeton. Một lít axeton có thể hịa tan khoảng 250 lít axetilen.



Dung làm hóa chất trung gian


Axeton dùng để tổng hợp metyl metacrilat.
(CH3)2CO + HCN → (CH3)2C(OH)CN
(CH3)2C(OH)CN + CH3OH → CH2= C(CH3)COOCH 3 + NH3

8


– Tổng hợp bisphenol A (là thành phần của nhiều loại polime polycacbonat,
polyurethane, nhựa epoxy.
(CH3)2CO + 2 C6H5OH → (CH3)2C(C6H4OH)2 + H2O


Sản xuất dung môi Methyl isobutyl alcohol và Methyl iso butyl ketone.
2 (CH3)2CO → (CH3)2C(OH)CH2C(O)CH 3
Trong y dược – kỹ thuật làm đẹp:



Sử dụng làm dung môi trong công nghiệp dược phẩm, là thành phần tá dược
trong một số loại thuốc, và để sản xuất rượu biến tính.



Được sử dụng nhiều trong các loại thuốc, được xếp vào loại phụ gia thực phẩm
và đóng gói, bảo quản thực phẩm.





Dùng để làm sạch và loại bỏ dầu trên da trước khi lột bỏ da khơ, da chết.



Trong thí nghiệm:

Được dùng trong nhiều phản ứng tổng hợp hữu cơ (như trong phản ứng thế
nucleophin lưỡng phân tử, trong quá trình oxy hóa Jones).
 Do giá thành thấp và dễ bay hơi, là dung mơi có khả năng hịa tan nhiều chất
mà axeton được dùng làm chất tẩy rửa thủy tinh.




Dùng để duy trì nhiệt đọ thấp khi tiến hành phản ứng hóa học do axeton có thể

làm lạnh bởi đá khơ đến -78C mà khơng bị đóng băng.


Ngồi ra cịn được dùng như một tracer huỳnh quang trong các thí nghiệm dịng

chảy.


Trong dân dụng:
Là thành phần chính trong các chất tẩy rửa sơn móng tay, chất tẩy keo siêu dính

và chất tẩy cho đồ gốm sứ, thủy tinh.




Nó được sử dụng để loại bỏ vết dầu bám trên tường, các vết mực cứng đầu có

thể được loại bỏ bằng cách sử dụng axeton.
 Dùng trong nghệ thuật in ấn (sau khi đổ một lượng vừa phải vào mặt sau của
tấm ảnh được đặt một bề mặt khác và chà, cào lên mặt sau tấm ảnh một thời gian,
mực ban đầu của tầm ảnh sẽ chuyển xuống bề mặt ấy).
2.3. Các phương pháp sản xuất axeton
 Trong thời gian chiến tranh thế giới lần thứ nhất, do nhu cầu về nguồn axeton
rất lớn, trong khi đó có sự giới hạn trong việc thu được từ việc chưng cất gỗ. Để
9


bổ sung axeton, Hoa Kỳ đã áp dụng phương pháp chưng cất khan Ca(CH3COO)2
nhờ phản ứng khử cacboxyl.
Ca(CH3COO)2 → CaO + CO2↑ + (CH3)2CO
Đến chiến tranh thế giới lần thứ hai, axeton được sản xuất bằng cách lên men
axeton-ethanol với vi khuẩn Clostridium acetonbutylicum, phát hiện bởi Chaim
Weizmann (sau này là tổng thống đầu tiên của Israel) để giúp các nỗ lực gây chiến
của Anh bằng cách chuẩn bị thuốc nổ khơng khói. Sau khi phát minh phương pháp


mới với sản lượng tốt hơn thì phương pháp lên men axeton - ethanol đã bị lãng
quên.


Ngày nay, axeton được sản xuất trực tiếp hoặc gián tiếp từ propen. Khoảng

83% axeton được sản xuất thơng qua phương pháp Cumen, và vì sản phẩm từ
phương pháp này mà sản xuất axeton luôn gắn liền với sản xuất phenol. Phương
pháp Cumen gồm việc alkyl hoá benxen với propen, sinh ra isopropylbenzene,
được oxi hoá, sinh ra axeton và phenol.


Axeton còn được sản xuất trực tiếp bằng cách oxi hay hydro hoá propen, sinh

ra 2-propanol (isopropanol), và khi oxi hố isopropanol sẽ được axeton.
Ngồi ra, axeton cịn được sản xuất bằng việc oxi hóa trực tiếp butan –
propan, lên men cacbohydrat nhờ vi khuẩn đặc biệt.


Đôi khi, axeton cũng được sản xuất dưới dạng sản phẩm phụ của công nghiệp
chưng cất.


3. Tổng quan về phương pháp chưng luyện hai cấu tử
 Khái niệm: chưng là phương pháp dùng để tách các cấu tử của một hỗn hợp
lỏng, hoặc hỗn hợp lỏng – khí tạo thành các cấu tử riêng biệt dựa vào đô. bay hơi
khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp. Ở cùng một nhiệt độ, các cấu tử đó sẽ có
áp suất hơi bão hịa khác nhau. Thay vì đưa vào hỗn hợp một pha mới để tạo nên
sự tiếp xúc giữa hai pha như hấp thụ, trong quá trình chưng cất, pha mới được tạo
nên nhờ bay hơi hoặc ngưng tụ.
 Phân biệt chưng và cơ đặc:
 Trong q trình chưng: cả chất tan và dung môi đều bay hơi.
 Trong quá trình cơ đặc: chỉ có dung mơi bay hơi cịn chất tan thì khơng.
 Khi chưng hỗn hợp hai cấu tử:



Sản phẩm đỉnh bao gồm cấu tử dễ bay hơi (axeton) và một phần nhỏ cấu tử

khó bay hơi hơn (nước).
10


Sản phẩm đáy gồm cấu tử khó bay hơi (nước) và một phần cấu tử dễ bay hơi
hơn (axeton).


 Trong cơng nghiệp có thể gặp các phương pháp chưng sau:

Chưng đơn giản: dùng để tách hỗn hợp các cấu tử có độ bay hơi rất khác
nhau, thường được dùng để tách sơ bộ và tách các cấu tử khỏi tạp chất.
 Chưng bằng hơi nước trực tiếp: dùng để tách các hỗn hợp gồm các chất khó
hay hơi và tạp chất không bay hơi. Dùng trong trường hợp các chất không tan lẫn


vào nước.
 Chưng chân không: dùng trong trường hợp cần hạ thấp nhiệt độ sôi của cấu
tử. Dùng cho trường hợp các cấu tử dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao hay các cấu tử
có nhiệt độ sôi quá cao.


Chưng luyện: là phương pháp phổ biến nhất dùng để tách hoàn toàn hỗn hợp

các cấu tử dễ bay hơi có thể hịa tan một phần hoặc hồn toàn tan lẫn vào nhau.


Chưng luyện ở áp suất thấp dùng cho các hỗn hợp dễ bị phân hủy ở nhiệt

độ cao.
Chưng luyện ở áp suất cao dùng cho các hỗn hợp khơng hóa lỏng ở áp suất
thường.


 Trong đồ án, cần thực hiện chưng cất hỗn hợp hai cấu tử là axeton và nước.

Axeton và nước là hai chất lỏng hịa tan hồn tồn, có nhiệt độ sơi ở áp suất thường
lần lượt là 56.5C và 100C, chúng khá khá là xa nhau nên có thể tách bằng
phương pháp chưng luyện. Do cả hai cấu tử là axeton và nước đều là chất lỏng ở
áp suất thường và không bị phân hủy khi gặp nhiệt độ cao. Vì vậy, có thể tách
chúng ở áp suất thường. Thêm vào đó, nước là hỗn hợp khơng có điểm đẳng phí,
nên để có hiệu quả cao, ta có thể chọn phương pháp chưng luyện liên tục.

11


BẢNG THỐNG KÊ CÁC KÝ HIỆU VÀ ĐẠI LƯỢNG
STT Đại lượng
1
x
2
y
3
a
4
mF

5
mP
6
mW
7
GF
8
GP
9
GW
10
t
11
R
12
AB
13
NLT
14
NTT
15
D
16
H
17
M
18
R
19


20

Ngoài các ký hiệu
phần

Tên các đại lượng
Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng
Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi
Nồng độ cấu tử dễ bay hơi
Lượng hỗn hợp đầu
Lượng sản phẩm đỉnh
Lượng sản phẩm đáy
Lượng hỗn hợp đầu
Lượng sản phẩm đỉnh
Lượng sản phẩm đáy
Nhiệt độ sôi
Chỉ số hồi lưu
Hệ số bay hơi tương đối
Số đĩa lý thuyết
Số đĩa thực tế
Đường kính tháp chưng luyện
Chiều cao tháp chưng luyện
Khối lượng mol
ẩn nhiệt hóa hơi, ẩn nhiệt ngưng tụ
Khối lượng riêng
Tốc độ dòng lỏng hoặc hơi
trên, các ký hiệu cụ thể khác sẽ được ký

Đơn vị
phần mol

phần mol
phần khối lượng
kg/h; kg/s
kg/h; kg/s
kg/h; kg/s
kmol/h; kmol/s
kmol/h; kmol/s
kmol/h; kmol/s
C

m
m
kg/kmol
kcal/kmol
kg/m3
m/s
hiệu riêng ở từng

12


PHẦN II: TÍNH TỐN KỸ THUẬT THIẾT BỊ CHÍNH
1. Tính cân bằng vật liệu




Số liệu ban đầu:
Tháp được chọn là tháp chưng luyện loại đĩa lỗ khơng có ống chảy chuyền.
Chưng luyện hỗn hợp axeton và nước:

Axeton (CH3)2CO, Maxeton = 58 kg/kmol
Nước H2O, Mnước = 18 kg/kmol





Cấu tử dễ bay hơi là axeton.
Lượng hỗn hợp đầu: mF = 7500 kg/h
Nồng độ tính theo cấu tử dễ bay hơi (axeton) trong:
Hỗn hợp đầu: aF = 42,5% (khối lượng)
Hỗn hợp đỉnh: aP = 98,5% (khối lượng)
Hỗn hợp đáy: aW = 1,7% (khối lượng)




Tính tốn:
Phương trình cân bằng vật liệu cho tồn tháp:
mF = mP + mW

[3,144]

Đối với cấu tử dễ bay hơi:
mF.aF = mP.aP + mW.aW

[3,144]

Lượng sản phẩm đỉnh là:
mP = mF.

aF −aW

[3,144]

aP −aW

Lượng sản phẩm đáy:
mW = mF - mP


[3,144]

Từ số liệu ban đầu, ta có:

Lượng sản phẩm đỉnh:
mP = mF.

aF −aW
aP −aW

= 7500.

0,425−0,017
0,985−0,017

= 3161,16 kg/h

Lượng sản phẩm đáy:
mW = mF - mP = 7500 – 3161,16 = 4338,84 kg/h


Đổi các nồng độ aF, aP và aW ra nồng độ phần mol: xF, xP và xW
Áp dụng công thức:
x=

aaxeton
Maxeton
aaxeton anước
+
Maxeton Mnước

[3,126]

Với Maxeton = 58 kg/kmol, Mnước = 18 kg/kmol, thay số vào, ta có:
13




Nồng độ tính theo cấu tử dễ bay hơi (axeton) trong:
Hỗn hợp

Hỗn hợp

aF
0,425
Maxeton
58
đầu: xF =
aF

(1−aF ) = 0,425 (1−0,425) = 0,187 phần mol
+
+
58
18
Maxeton Mnước
aP
0,985
Maxeton
58
đỉnh: xP =
aP
(1−aP ) = 0,985 (1−0,985) = 0,953 phần mol
+
+
58
18
Maxeton Mnước

Hỗn hợp đáy: xW =



aW
Maxeton
aW
(1−aW )
+
Maxeton Mnước

=

0,017
58
0,017 (1−0,017)
+
58
18

= 0,005 phần mol

Tính được GF, GP, GW theo kmol/h:
Tính khối lượng phân tử trung bình của:

Hỗn hợp đầu: MF = xF.Maxeton + (1 – xF).Mnước
MF = 0,187.58 + (1 – 0,187).18
MF = 25,48 kg/kmol
Sản phẩm đỉnh: MP = xP.Maxeton + (1 – xP).Mnước
MP = 0,953.58 + (1 – 0,953).18
MP = 56,12 kg/kmol
Sản phẩm đáy: MW = xW.Maxeton + (1 – xW).Mnước
MW = 0,005.58 + (1 – 0,005).18
MW = 18,2 kg/kmol


Tính GF, GP, GW theo kmol/h:
GF =
GP =
GW =

mF
MF
mP

=
=

MP
mW
MW

7500
25,48

= 294,35 kmol/h

3161,16

=

= 56,33 kmol/h

56,12
4338,84
18,2

= 238,40 kmol/h

2. Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp
2.1. Xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu Rmin

Theo số liệu Bảng IX.2a [3,145] thành phần cân bằng lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt
độ sôi của hỗn hợp hai cấu tử ở 760mmHg (% mol), ta có bảng sau:

14


Bảng 2: Thành phần cân bằng lỏng hơi và nhiệt độ sôi của hỗn hợp axeton – nước

x

0

y

0

5

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

60,3 72,0 80,3 82,7 84,2 85,5 86,9 88,2 90,4 94,3 100

t 100 77,9 69,6 64,5 62,6 61,6 60,7 59,8 59,0 58,2 57,5 56,9
Từ số liệu trong bảng 1, ta có thể vẽ đồ thị đường cân bằng lỏng – hơi:
y (% mol)

Bmax

xW

xF

xP
x (% mol)
Hình 1: Đồ thị đường cân bằng và đường làm việc của đoạn luyện trên đồ thị x-y
Đường làm việc và đường cân bằng pha tiếp xúc với nhau: Do trong q trình
chưng luyện đường làm việc khơng thể nằm phía trên đường cân bằng pha nên vị
trí cao nhất của đường làm việc của đoạn luyện của tháp sẽ là đường tiếp tuyến
với đường cân bằng pha. Kéo dài đường tiếp tuyến với đường cân bằng pha cho
tới khi cắt trục tung trên đồ thị x –y.
15

Tung độ của giao điểm khi đó sẽ bằng:
xP

Bmax =

Rmin +1

Từ đồ thị đường cân bằng và đường làm việc của đoạn luyện trên đồ thị x-y ở
hình 1, ta thấy Bmax = 65% (mol)
Vì vậy, ta có Rmin =

xP
Bmax

–1=

0,953
0,650

–1

Rmin = 0,466
2.2. Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp RTH


Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp: RTH
 RTH: là chỉ số hồi lưu thích hợp được tính theo tiêu chuẩn thể tích tháp nhỏ
nhất. Cơ sở của việc chọn RTH theo tiêu chuẩn thể tích tháp nhỏ nhất là:
V = H.S

mà

H: tỷ lệ với NLT

Q ~ G = .S = P (R + 1)



S tỷ lệ với (R + 1)

Như vậy, V = H.S sẽ tỷ lệ với NLT (R + 1).
Trong đó, V: là thể tích của tháp, m3
H: chiều cao của tháp, m
S: tiết diện của tháp, m2
G: lưu lượng dòng hơi đi trong tháp, m3/s



P: lưu lượng dòng sản phẩm đỉnh, m3/s
Q: lượng nhiệt cần cấp cho thiết bị đun sôi ở đáy tháp
NLT: số bậc thay đổi nồng độ (số đĩa lý thuyết).
Giá thành tháp tỷ lệ với V, mà V tỷ lệ với NLT (R + 1), giá thành tháp thấp

nhất ứng với thể tích tháp nhỏ nhất. Vì vậy vần phải chọn chế độ làm việc thích
hợp cho tháp, tức là RTH.
 Ứng với mỗi giá trị Ri > Rmin, ta được một đường làm việc tương ứng và tìm
được một giá trị NLT.
 Với mỗi giá trị Ri, ta có các giá trị Bi:
Bảng 2: Giá trị Bi

STT
R
B


0
0,466
0,650

1
0,699
0,561

2
0,792
0,532

3
0,885
0,505

4
0,979
0,482

5
1,072
0,460

6

1,165
0,440

Số đĩa lý thuyết NLT được xác định qua các sơ đồ:
16


y (% mol)

x (% mol)
Hình 2: Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết R1 = 0,699; Nlt = 10,3

17


y (% mol)

Hình 3: Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết R2 = 0,792; Nlt = 9,1

x (% mol)

18


y (% mol)

Hình 4: Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết khi R3 = 0,885; Nlt = 8,5

x (% mol)

19


y (% mol)

Hình 5: Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết khi R4 = 0,979; Nlt = 8,1

x (% mol)

20


y (% mol)

Hình 6: Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết khi R5 = 1,072; Nlt = 7,8

x (% mol)

21


y (% mol)

Hình 7: Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết khi R6 = 1,165; Nlt = 7,5

x (% mol)

Từ các sơ đồ trên, ta có bảng sau:
Bảng 3: Bảng số liệu thể hiện quan hệ NLT(R+1) = f (R).
STT

R
Nlt
Nlt(R+1)

0
0,466
∞
∞

1
0,699
10,3
17,5

2
0,792
9,1
16,309

3
0,885
8,5
16,026

4
0,979
8,1
16,027

5

1,072
7,8
16,16

6
1,165
7,6
16,454

22


NLT(R+1)

Vmin

R

Rmin
RTH
Hình 8: Đồ thị xác định chỉ số hồi lưu thích hợp

Qua đồ thị hình 8, ta thấy RTH = 0,93 thì NLT(R + 1) là nhỏ nhất, nghĩa là thể
tích tháp nhỏ nhất, Vmin = 16m3.
Với giá trị RTH = 0,93 theo đồ thị Mc Cabe, ta có số đĩa lý thuyết bằng NLT =
8,3
3. Tính đường kính tháp chưng luyện
3.1.
Tính đường kính đoạn luyện
 Tính lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện có thể tính gần đúng bằng trung bình
cộng của lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp và lượng hơi đi vào đĩa dưới
cùng của đoạn luyện:
gtbL =

gđ +g1
2

[3,181]

Trong đó: gtbL – lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện, kg/h hay kmol/h
gđ – lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp, kg/h hay kmol/h
g1 – lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện, kg/h hay kmol/h


Lượng hơi ra khỏi đỉnh tháp được tính bằng cơng thức:
gđ = GR + GP = GP (RTH + 1)
Trong đó: GP – lượng sản phẩm đỉnh, kg/h hay kmol/h
GR – lượng chất lỏng hồi lưu, kg/h hay kmol/h
23