Đồ án thiết kế hệ thống chưng cất methanol bằng tháp đệm luận văn, đồ án, đề tài tốt nghiệp

LỜI MỞ ĐÀU
Công nghệ hóa học cũng như các sản phẩm của nó có ảnh hưởng rất lớn đến nhiều ngành sản xuất khác.
Trong đó methanol là một sản phấm khá được quan tâm. Trong quy trình sản xuất, methanol thường được
chưng cất để đạt được nồng độ cao, thỏa mãn nhu cầu sử dụng và tiết kiệm chi phí vận chuyển, lưu trữ.
Nhiệm vụ của đồ án này là thiết kế hệ thống chưng cat methanol bằng tháp đệm có năng suất 4000kg/h,
nhập liệu ở nhiệt độ sôi với nồng độ 40% , sản phấm đỉnh có nồng độ 98%, sản phẩm đáy có nồng độ 0.5%
khối lượng/khối lượng. Hệ thống được gia nhiệt bằng hơi nước có áp suất 2 at.
Việc thực hiện đồ án là một cơ hội tốt để sinh viên hệ thống hóa các kiến thức đã học cũng như làm quen
với việc lựa chọn tính toán các thiết bị thực tế. Thực hiện đồ án là một bước đế sinh viên làm quen với công
việc của một kỹ sư trong tương lai.
Đồ án này được thực hiện dưới sự giúp đỡ và hướng dẫn trực tiếp của thầy Nguyễn Văn Lục. Em xin
chân thành cảm ơn sự hướng dẫn và giúp đỡ của thầy trong thời gian qua để em có thế hoàn thành đồ án này.
MỤC LỤC
A.
B.
A. GIỚI THIỆU
I. SO Bộ VÈ QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT
C. Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của một hồn 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 hồn hợp. Thay vì đưa
vào trong hỗn hợp một pha mới để tạo nên sự tiếp xúc giữa hai pha như trong quá trình hấp thụ hoặc nhả
khí, trong quá trình chưng cất, pha mới được tạo nên bằng sự bốc hơi hoặc ngưng tụ.
D. Khi chưng cất ta thu được nhiều sản phẩm và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu đực bấy
nhiêu sản phẩm. Sản phấm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần rất ít cấu tử có độ
bay hơi bé. Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi bé và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi
lớn.
E. Đối với hệ methanol - nước thì sản phấm đỉnh chủ yếu là methanol, sản phẩm đáy chủ yếu là
nước.
F. Các phương pháp chưng cất thường được phân loại dựa vào áp suất làm việc ( áp suất thấp,
áp suất thường, áp suất cao), nguyên lý làm việc (chưng cất đơn giản, chưng bằng hơi nước trực tiếp,
chưng cất) hay dựa vào phương pháp cấp nhiệt (trực tiếp hay gián tiếp). Việc lựa chọn các phương pháp
chưng cất tùy thuộc vào tính chất lý hóa của sản phấm. Đối với hệ methanol nước ta chọn phương pháp

chưng cất liên tục, cấp nhiệt gián tiếp bằng nồi đun ở áp suất thường.
G. Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau đế tiến hành chưng cất. Tuy nhiên
yêu cầu chung của các thiết bị vẫn giống nhau là bề mặt tiếp xúc pha phải lớn. Điều này phụ thuộc vào
mức độ phân tán của pha này vào pha kia. Ta khảo sát hai loại tháp thường dùng là tháp mâm và tháp
chêm.
• Tháp mâm: thân hình trụ, thắng đứng, phía trong có gắn các mâm có cấu tạo khác nhau trên đó
pha lỏng và pha hơi tiếp xúc với nhau. Tùy theo cấu tạo của mâm ta có tháp mâm chóp hay tháp
mâm xuyên lỗ.
• Tháp đệm: tháp trụ gồm nhiều bậc nối với nhau bằng bích hay hàn. Vật chêm được cho vào tháp
bằng hai phương pháp xếp ngẫu nhiên hay có thứ tự.
H. So sánh ưu nhược điểm của hai loại tháp
1
I.
J. Trong đồ án này ta sử dụng tháp đệm với vòng đệm Raschig xếp ngẫu nhiên với kích
thước 25x25x3.0 .
II. so Lược VÈ NGUYÊN LIỆU
2.1.Methanol
K. Methanol là chất lỏng không màu, tan vô hạn trong nước, có mùi đặc trưng, rất độc. Một
lượng nhỏ methanol có thể gây mù lòa, lượng lớn gây tử vong. Methanol có công thức phân tử CH3OH,
phân tử lượng 32.04 đvC. Methanol có các tính chất lý hóa sau:
L. Nhiệt độ sôi: 64.5°c
M. Khối lượng riêng ở 20°C: p = 791.7 kg/m
3
Độ nhớt ở 20°C: |
J, = 0.6* 10’
3
N.s/m
2
= 0.6 cP Hệ số dẫn nhiệt ở 20°C: À, = 0.179
kcal/m.h.độ = 0.2082 w/m.độ Nhiệt dung riêng ở 20°C: Cp = 2570

J/kg.độ
2.2.Nước
N. Nước là chất lỏng không màu, không mùi, không vị. Công thức phân tử H2O, phân tử lượng
18.2 đvC.
O. Nhiệt độ sôi: 100°c
P. Khối lượng riêng ở 20°C: p = 998 kg/m
3
Độ nhớt ở'20°C: ị i
= 1.005*10'
3
N.s/m
2
= 1.005 cP Hệ số dẫn nhiệt ở 20°C: À, = 0.597
w/m.độ Nhiệt dung riêng ở 20°C: Cp = 4180 J/kg.độ
2.3.ứng dung của methanol
Q. Methanol có thể hòa tan với nước, alcohol, ester, ether, ketol và hầu hết các dung môi hữu
cơ. Do đó, methanol thường được dùng làm dung môi và nguyên liệu đế sản xuất những chất hữu cơ
khác với số lượng lớn.
R. Methanol có ái lực đặc biệt với Carbon dioxide và hydrogen sulfide, đây được xem là dung
môi trong quá trình làm ngọt khí Rectisol. Mang tính phân cực trong tự nhiên, methanol thường tạo hỗn
hợp cộng phị với nhiều hợp chat. Methanol làm giảm nhiệt độ hình thành của hydrate khí tự nhiên, nên
được sử dụng là chất chống đông trong đường ống.
S. Methanol được dùng để sản xuất formaldehyde, chiếm khoảng 40% lượng tiêu thụ methanol
trên thế giới. Tại Mỹ, vai trò của methanol được tăng cao do được sử dụng trong nhiên liệu oxygenated
với MTBE. Một ứng dụng quan trọng khác của methanol là sản xuất acid acetic; ngoài ra, nó còn được
dùng làm dung môi và hóa chất trung gian.
T. Ngoài ra methanol còn được dùng làm nguyên liệu sản xuất nhừng hóa chất khác, như
dimethyl terephthalate (DMT), methyl methacrylate, methylamine, và methyl halogenur. ứng dụng mới
đây nhất là ứng dụng trong nông nghiệp, phun trực tiếp vào cây trồng để kích thích sự phát triển của cây.
B. QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

1 : Thùng chứa hỗn hợp đầu
2 : Bơm chất lỏng
3 : Thùng cao vị
2
A.
B. Tháp đệm
C. Tháp mâm
chóp
D. Tháp mâm xuyên
lỗ
E. Ưu
điểm
- Câu tạo đơn giản
- Trở lực thấp
- Làm việc được với chất lỏng
bẩn
- Khá ôn định
- Hiệu suất cao
- Trở lực tương đôi thấp
- Hiệu suất cao
F. Nhược
điêm
- Do có hiệu ứng thành nên
hiệu suất truyền khối thấp
- Độ ổn định không cao, khó
vận hành.
- Thiết bị nặng nề
- Trở lực lớn
Kết cấu phức tạp
- Không làm việc được

với chất lỏng bấn
- Ket cấu phức tạp.
4 : Lưu lượng kế
5 : Thiết bị gia nhiệt hỗn họp đầu
6 : Tháp chưng cất
7 : Thiết bị ngưng tụ
8 : Thiết bị làm nguội
9 : Thùng chứa sản phẩm
10 : Nồi đun Kettle 11: Thùng chứa
hỗn họp đáy 12 : Bầy hơi
U. Hồn hợp từ thùng chứa (1) được bơm ly tâm (2) chuyến lên thùng cao vị (3). Từ thùng cao vị, hỗn
hợp được cho chảy tự nhiên xuống thiết bị gia nhiệt ống chùm. Sau khi qua thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đạt
được nhiệt độ sôi và được đưa vào tháp chưng cất ở đĩa tiếp liệu.Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng từ hỗn hợp đầu
được trộn với phần lỏng đi xuống từ đoạn luyện.
V. Trong tháp, pha hơi đi từ dưới lên, pha lỏng đi từ trên xuống, ở đây có sự tiếp xúc giữa hai pha.
Trong đoạn chưng, càng đi xuống dưới, nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng càng giảm do bị cấu tử dễ
bay hơi trong pha hơi từ nồi đun (10) đi lên lôi cuốn. Hơi càng lên cao thì nhiệt độ càng giảm do đó cấu tử có
nhiệt độ sôi cao là nước sẽ ngưng tụ lại đi xuống dưới, cấu tử có nhiệt độ sôi thấp là methanol sẽ lôi kéo các
cấu tử methanol trong pha lỏng đi lên trên. Sản phẩm đỉnh là hơi chứa chủ yếu là methanol và một phần nhỏ
hơi nước. Hơi ở đỉnh được dẫn qua thiết bị ngưng tụ (7). Một phần lỏng được hồi lưu vào tháp chưng cất còn
phần lớn được cho vào thiết bị làm nguội (8) và được đưa vào thùng chứa sản phẩm đỉnh. Hỗn họp đáy chứa
chủ yếu là nước được đưa vào nồi đun Kettle. Hơi từ nồi đun được đưa trở lại vào tháp. Sản phẩm đáy sau
khi qua nồi đun được đưa vào thiết bị làm nguội và chuyến về thùng chứa sản phẩm đáy (11).
W. c. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH
I. CÂN BẰNG VẬT CHẤT
X. Quy ước:
F, p, W: lần lượt là hồn họp đầu vào, đỉnh và đáy GF:
lưu lượng hỗn hợp đầu vào, kmol/h Gp: lưu lượng
sản phẩm đỉnh, kmol/h G
w

: lưu lượng sản phẩm đáy,
kmol/h GR: lượng chất lỏng hồi lưu, kmol/h
Y. Xf! nồng độ phân mol hỗn họp đầu vào theo methanol,
kmol/kmol x
p
: nồng độ phân mol hỗn hợp đỉnh theo methanol,
kmol/kmol x
w
: nồng độ phân mol hỗn họp đáy theo methanol,
kmol/kmol nồng độ phần khối lượng hỗn hợp đầu vào theo methanol,
kg/kg a
p
: nồng độ phần khối lượng hỗn hợp đỉnh theo methanol,
kg/kg a
w
: nồng độ phần khối lượng hỗn hợp đáy theo methanol,
kg/kg
Z. Yii nồng độ phần mol của pha hơi ứng với nồng độ phần mol Xi của pha
lỏng, kmol/kmol
AA. yi*: nồng độ phần mol cân bằng của pha hơi ứng với nồng độ phân mol Xi của
pha lỏng, kmol/kmol A, B: lần lượt là ký hiệu của methanol và nước MA, MB: lần lượt là khối
lượng phân tử của methanol và nước MA= 32.04; M
B
= 18.02
AB. Lưu lượng hỗn hợp đầu vào:
AC. “ F * a
f
F*ạ- a
f
)

AD G> = 1 —
AE. M
A
M
B
AF. ^ 4000*0.4 4000*(1-0.4) ^ ,
in
AG ơ, = ——— + — = 183.12 kmol/h
AH. ^
F
32.04 18.02
AI. Nồng độ phân mol của hỗn họp đầu vào
AJ. F*a
f
AK Xf =
AL.
f
M *G
AM.
1V1
A F
AN. 4000*0.4
3
AO X , = = 0.27
AP. / 32.04*183.12
AQ. Nồng độ phân mol của hồn hợp đỉnh:
AR.
AS.
=
0.005 1-0.005

=
°'
0028
AT. 32.04
+
18.02
AU. Khối lượng phân tử trung bình của hỗn hợp đầu vào M
F
, đỉnh Mp và đáy M
w
AV.
AW.
AX. Phương trình cân bằng vật chất G
f
= G
p
+ G
w
AY. Đối với cấu tử dễ bay hơi là methanol G
F
* x
f
=
G
p
* x
p
+ G
w
* x

w
Từ hai phương trình trên ta suy ra
AZ. G
P
= G
F
*
X f
~
X w
= 183.12*
0,27
-
0,0028
= 51.36 kmol/h
p
F
x
p
- x
w
0.96-0.0028
BA. G
w
= G
F
*
X p
~
X f

=183.12*
Q
-
96
~°-
27
=131,76 kmol/h X
p
— X
w
0.96-
0.0028
BB. II.
BC. TRÌNH LÀM VIỆC CỦA THÁP
BD. Bảng 1: Cân bằng lỏng hơi của hỗn họp methanol- nước
4
G.
a
f
H. ì -
a
f
J.
M
K. M
B
L.
M. 0.9
8
N.

O. 32.
04
P. 0.98 1-
Q.
R —
S. 32.04
18.02
T. Nồng
độ
phân
mol
của
hỗn
hợp
đáy
U.
a
w
V. M
A
W. X = — - -

X.
w

a
™ I
l
~
a

™
Y. M
A
M
B
0.005
[2- 144]
[2- 144]
[2- 144]
[2- 144]
PHƯƠN
Z.
X
AA.
0
AB.
5
AC.
10
AD.
20
AE.
30
AF.
40
AG.
50
AH.
60
AI.

70
AJ.
80
AK.
90
AL.
100
AM.
y
AN.
0
AO.
26.8
AP.
41.8
AQ.
57.9
AR.
66.5
AS.
72.9
AT.
77.9
AU.
82.5
AV.
87
AW.
91.5
AX.

95.8
AY.
100
AZ.
°c
BA.
100
BB.
92.3
BC.
87.7
BD.
81.7
BE.
78
BF.
75.3
BG.
73.1
BH.
71.2
BI.
69.3
BJ.
67.6
BK.
66
BL.
64.5
BF.

BG. Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn luyện có dạng:
BH. y = — [ 2 - 1 4 4 1
BI. *,+1 *x+l
BJ. Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng có dạng:
BK. y = ^^-x + ^—ỉ-x
w
[2-158]
BL. S
v
+1 ^+1
BM. Với: R
x
= G
x
/Gp: chỉ số hồi
lưu L=G
F
/Gp
BN. Vì hỗn hợp đầu vào ở nhiệt độ sôi nên ta có
BO.
x
n ~y* f
BP. = ^ ~ r
L
p- 158]
BQ.
y
f
-Xf
BR. Từ đồ thị cân bằng lỏng hơi của methanol- nước với Xf =0.27 ta tra được yf = 0.64; tf = 79°C;

với Xp= 0.96 thì tp =65°C; với x
w
=0.0028 thì t
w
=99 7°c Vậy ta có:
5
BM.
BN. Hình 1: Cân bằng lỏng hơi của hỗn hợp methanol -
nước
BS. 0.96-0.64
=
a88

0.64-0.27
BT. Dùng phương pháp thử ta cho các giá trị R
x
khác nhau đế tính các giá trị m
y
khác nhau từ đó ta có
bảng sau:
BU. BẢNG 2: Chỉ số hồi lưu thích họp
BV.
BW.
BX.
BY. HÌNH 2: Chỉ số hồi lưu thích hợp
BZ.
CA. Dựa vào đồ thị ta thấy R
x
= 1.33 Phương trình đường làm
việc đoạn luyện: y = 0.57x + 0.41

CB. Phương trình đường làm việc đoạn chưng: y = 2 A x - 0.0031
6
BO. Rx
BP.
1.06
BQ.
1.15
BR.
1.24
BS.
1.33
BT.
1.42
BU.
1.5
BV.
1.59
BW.
1.68
BX.
1.77
BY.
1.86
BZ.
1.95
CA. m
y
CB.
8.9
CC.

8.19
CD.
7.71
CE.
7.36
CF.
7.10
CG.
6.90
CH.
6.74
CI.
6.60
CJ.
6.49
CK.
6.39
CL.
6.31
CM. m
y
(
R
x
+l)
CN.
18.3
CO.
17.6
CP.

17.2
CQ.
17.1
CR.
17.1
CS.
17.2
CT.
17.4
CU.
17.6
CV.
17.9
CW.
18.2
CX.
18.6
CY.18 80
CZ.
DA. 17 00
DB.1.1 1.2 13 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9
CÂN BẰNG
Cân bằng