CÔNG NGHỆ CHƯNG cất hệ ACID AXETIC– nước

MỤC LỤC

1

trang
2
4 LỜI MỞ ĐẦU
5 CHƯƠNG I : TỔNG QUAN.............................................
6

I . LÝù THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT

7

1 . Phương pháp chưng cất

8

2 . Thiết bò chưng cất:

9

II . GIỚI THIỆU SƠ BỘ NGUYÊN LIỆU

10

1 . Acid axetic

11

2 . Nước

12

3 . Hỗn hợp Acid axetic – Nước

13

III . CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ ACID AXETIC– NƯỚC

14 CHƯƠNG II : CÂN BẰNG VẬT CHẤT
15

I . CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU

16

II . XÁC ĐỊNH SUẤT LƯNG SẢN PHẨM ĐỈNH VÀ

17
18

SẢN PHẨM ĐÁY
III . XÁC ĐỊNH TỈ SỐ HOÀN LƯU THÍCH HP

19

1 . Tỉ số hoàn lưu tối thiểu

20

2 . Tỉ số hoàn lưu thích hợp

21

IV . PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LÀM VIỆC – SỐ MÂM LÝ

22

THUYẾT

23

1 . Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn

24cất
1

1


25

2 . Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn

26chưng
27
28

3 . Số mâm lý thuyết
V . XÁC ĐỊNH SỐ MÂM THỰC TẾ

29 CHƯƠNG III :TÍNH TOÁN –THIẾT KẾ THÁP CHƯNG
30
31

CẤT
I . ĐƯỜNG KÍNH THÁP

32

1 . Đường kính đoạn cất

33

2 . Đường kính đoạn chưng

34

II . MÂM LỖ – TRỞ LỰC CỦA MÂM

35

1 . Cấu tạo mâm lỗ

36

2 . Độ giảm áp của pha khí qua một mâm

37

3 . Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt độngO(

38

III . TÍNH TOÁN CƠ KHÍ CỦA THÁP

39

1 . Bề dày thân tháp :

40

2 . Đáy và nắp thiết bò :

41

3 . Bích ghép thân, đáy và nắp :

42

4 . Đường kính các ống dẫn – Bích ghép các ống

43
44

dẫn :
5 . Tai treo và chân đỡ:

45 CHƯƠNG IV : TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT46
47

48
4

THIẾT BỊ PHỤ
I . CÁC THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT
1 . Thiết bò ngưng tụ sản phẩm đỉnh
2


49

2 . Thiết bò làm nguội sản phẩm đỉnh

50

3 . Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy

51

4 . Thiết bò trao đổi nhiệt giữa nhập liệu và sản

52
53

phẩm đáy
5 . Thiết gia nhiệt nhập liệu

54

II. TÍNH BẢO ÔN CỦA THIẾT BỊ

55

III . TÍNH TOÁN BƠM NHẬP LIỆU

56

1 . Tính chiều cao bồn cao vò

57

2 . Chọn bơm

58 CHƯƠNG V : GIÁ THÀNH THIẾT BỊ
59

I . TÍNH SƠ BỘ GIÁ THÀNH CỦA THIẾT BỊ

60

II . KẾT LUẬN

61 TÀI LIỆU THAM KHẢO
62
63
64
65
66
67

7

3


LỜI MỞ ĐẦU

68
69
70

Một trong những ngành có sự đóng góp to lớn đến

71 ngành công nghiệp nước ta nói riêng và thế giới
72 nói chung, đó là ngành công nghiệp hóa học. Đặc
73 biệt là ngành hóa chất cơ bản.
74

Hiện nay, trong nhiều ngành sản suất hóa học

75 cũng như sử dụng sản phẩm hóa học, nhu cầu sử
76 dụng nguyên liệu hoặc sản phẩm có độ tinh khiết
77 cao phải phù hợp với quy trình sản suất hoặc nhu cầu
78 sử dụng.
79

Ngày nay, các phương pháp được sử dụng để nâng

80 cao độ tinh khiết: trích ly, chưng cất, cô đặc, hấp thu…
81 Tùy theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có

82 sự lựa chọn phương pháp thích hợp. Đối với hệ acid
83 axetic- Nước là 2 cấu tử tan lẫn hoàn toàn, ta phải
84 dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh
85 khiết cho acid axetic.
86

Đồ án môn học Quá trình và Thiết bò là một

87 môn học mang tính tổng hợp trong quá trình học tập
88 của các kỹû sư hoá- thự c phẩm tương lai. Môn học
89 giúp sinh viên giải quyết nhiệm vụ tính toán cụ thể
90 về: yêu cầu công nghệ, kết cấu, giá thành của
91 một thiết bò trong sản xuất hoá chất - thực phẩm.
92 Đây là bước đầu tiên để sinh viên vận dụng những
93 kiến thức đã học của nhiều môn học vào giải quyết

10

4


94 những vấn đề kỹû thuật thực tế một cách tổng
95 hợp.
96

Nhiệm vụ của ĐAMH là thiết kế tháp chưng cất hệ

97 acid axetic - Nước hoạt động liên tục với nâng suất
98 nhập liệu : 5m3/h có nồng độ 8% mol acid axetic ,thu
99 được sản phẩm đỉnh có nồng độ 0.5% mol acid axetic

100 với nồng độ dung dịch đáy acid axetic là 30%.
101

Em chân thành cảm ơn các q thầy cô bộ môn

102 Máy & Thiết Bò, các bạn sinh viên đã giúp em hoàn
103 thành đồ án này. Tuy nhiên, trong quá trình hoàn
104 thành đồ án không thể không có sai sót, em rất
105 mong q thầy cô góp ý, chỉ dẫn.
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117

13

5


118
119

16

6


120

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN.

121
122 I . LÝù THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT:
123
124

1 . Phương pháp chưng cất :
Chưng cất là qua ùtrình phân tách hỗn hợp lỏng

125

(hoặc khí lỏng) thành các cấu tử riêng biệt dựa

126

vào sự khác nhau về độ bay hơi của chúng (hay

127

nhiệt độ sôi khác nhau ở cùng áp suất), bằng

128

cách lặp đi lặp lại nhiều lần quá trình bay hơi - ngưng

129

tụ, trong đó vật chất đi từ pha lỏng vào pha hơi hoặc

130

ngược lại. Khác với cô đặc, chưng cất là quá trình

131

trong đó cả dung môi và chất tan đều bay hơi, còn

132

cô đặc là quá trình trong đó chỉ có dung môi bay

133

hơi.

134

Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường

135

thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu được bấy nhiêu sản

136

phẩm. Nếu xét hệ đơn giản chỉ có 2 hệ cấu tử

137

thì ta thu được 2 sản phẩm: sản phẩm đỉnh chủ yếu

138

gồm gồm cấu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt độ sôi

139

nhỏ ), sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ

140

bay hơi bé(nhiệt độ sôi lớn) .Đối với hệ acid axetic -

141

nước sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm nước và một ít

142

acid axetic , ngược lại sản phẩm đáy chủ yếu gồm

143

acid axetic và một ít nước.

144

19

Các phương pháp chưng cất: được phân loại theo:

7


145

• Áp suất làm việc : chưng cất áp suất thấp,

146

áp suất thường và áp suất cao. Nguyên tắc

147

của phương pháp này là dựa vào nhiệt độ sôi

148

của các cấu tử, nếu nhiệt độ sôi của các

149

cấu tử quá cao thì ta giảm áp suất làm việc

150

để giảm nhiệt độ sôi của các cấu tử.
• Nguyên lý làm việc: liên tục, gián đoạn(chưng

151
152

đơn giản) và liên tục.

153

* Chưng cất đơn giản(gián đoạn): phương pháp
này đïc sử dụng trong các trường hợp sau:

154

+ Khi nhiệt độ sôi của các cấu tử khác xa

155
156nhau.

+ Không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết

157
158cao.

+ Tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không

159
160bay hơi.
161

+ Tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử.

162

* Chưng cất hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bò

163

hoạt động liên tục) là quá trình được thực hiện

164

liên tục, nghòch dòng, nhều đoạn.

165

• Phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp: cấp nhiệt

166

trực tiếp bằng hơi nước: thường được áp dụng

167

trường hợp chất được tách không tan trong nước .

168

Vậy: đối với hệ acid axetic – Nước, ta chọn phương

169

pháp chưng cất liên tục cấp nhiệt gián tiếp bằng

170

nồi đun ở áp suất thường.

22

8


171

25

9


172
173

2 . Thiết bò chưng cất:
Trong sản xuất thường sử dụng rất nhiều loại

174

tháp nhưng chúng đều có một yêu cầu cơ bản là

175

diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn ,điều này

176

phụ thuộc vào độ phân tán của lưu chất này vaò

177

lưu chất kia .

178

Tháp chưng cất rất phong phú về kích cỡ và ứng

179

dụng ,các tháp lớn nhất thường được ứng dụng trong

180

công nghiệp lọc hoá dầu. Kích thước của tháp :

181

đường kính tháp và chiều cao tháp tuỳ thuộc suất

182

lượng pha lỏng, pha khí của tháp và độ tinh khiết

183

của sản phẩm. Ta khảo sát 2 loại tháp chưng cất

184

thường dùng là tháp mâm và tháp chêm.

185

• Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng

186

phía trong có gắn các mâm có cấu tạo khác

187

nhau để chia thân tháp thành những đoạn bằng

188

nhau, trên mâm pha lỏng và pha hơi đựơc cho tiếp

189

xúc với nhau. Tùy theo cấu tạo của đóa, ta có:

190

* Tháp mâm chóp : trên mâm có chóp dạng

191

tròn hay một dạng khác,có rãnh xung quanh để

192

pha khí đi qua va ống chảy chuyền có hình tron

193

* Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm bố trí các

194

lỗ có đường kính 3-12mm được bố trí trên các

195

đỉnh tam giác,bước lổ bằng 2,5 đến 5 lần đường

196

kính

197

• Tháp chêm(tháp đệm): tháp hình trụ, gồm

198

nhiều đoạn nối với nhau bằng mặt bích hay hàn.

28

10


199

Vật chêm được cho vào tháp theo một trong hai

200

phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự.
• So sánh ưu và nhược điểm của các loại

201

tháp :

202

Tháp
chêm.

Tháp mâm

xuyên lo.ã

chóp.

- Hiệu suất

- Hiệu suất

- Đơn giản.

tương đối cao.

cao.

- Trở lực

- Hoạt động

- Hoạt động

thấp.

khá ổn đònh.

ổn đònh.

Ưu
điểm:

Tháp mâm

- Làm việc
với chất lỏng
bẩn.
Nhược

- Hiệu

- Trở lực khá

- Cấu tạo

điểm:

suất thấp.

cao.

phức tạp.

205

- Yêu cầu lắp
đặt khắt khe

31

- Độ ổn

-> lắp đóa thật

đònh kém.

phẳng.

11

- Trở lực lớn.


206

34

12


Nhận xét: tháp mâm xuyên lỗ là trạng thái

207
208

trung gian giữa tháp chêm và tháp mâm chóp.

209

Nên ta chọn tháp chưng cất là tháp mâm xuyên

210

lỗ.

211

Vậy: Chưng cất hệ acid axetic - Nước ta dùng tháp

212

mâm xuyên lỗ hoạt động liên tục ở áp suất

213

thường, cấp nhiệt gián tiếp ở đáy tháp.

214 II . GIỚI THIỆU SƠ BỘ NGUYÊN LIỆU :
215
216

Nguyên liệu là hỗn hợp acid axetic - Nước.
1 . Etanol: (Còn gọi là rượu etylic , cồn êtylic hay cồn

217thực phẩm).
218

Etanol có công thức phân tử: CH3-CH2-OH, khối

219

lượng phân tử: 46 đvC. Là chất lỏng có mùi đặc

220

trưng, không độc, tan nhiều trong nước.

221

• Một số thông số vật lý và nhiệt động của

222

etanol:

223

+ Nhiệt độ sôi ở 760(mmHg): 78.3oC.

224

+ Khối lượng riêng: d420 = 810 (Kg/m3).

225
226

• Tính chất hóa học:

Tất cả các phản ứng hoá học xảy ra ở nhóm

227

hydroxyl (-OH) của etanol là thể hiện tính chất

228

hoá học của nó.

229
230

37

* Phản ứng của hydro trong nhóm hydroxyl:
CH3-CH2-O- + H+

CH3-CH2-OH

13


231
232
233

Hằng số phân ly của etanol: K CH −CH
3

2 − OH

= 10 −18 , cho

nên etanol là chất trung tính.
+ Tính acid của rượu thể hiện qua phản ứng

234

với kim loại kiềm, Natri hydrua(NaH), Natri

235

amid(NaNH2):
CH3-CH2-OH + NaH

236

Natri etylat

237
238

CH3-CH2-ONa + H2

Do K CH −CH
3

2 − OH

< K H 2O = 10 −14 : tính acid của rượu nhỏ

239

hơn tính acid của nước, nên khi muối Natri etylat

240

tan trong nước sẽ bò thuỷ phân thành rượu trở

241

lại.

242

+ Tác dụng với acid tạo ester: Rượu etanol có

243

tính bazơ tương đương với nước. Khi rượu tác dụng

244

với acid vô cơ H2SO4, HNO3 và acid hữu cơ đều

245

tạo ra ester.

246
247

Lạnh

CH3-CH2-OH + HO-SO3-H
H + H2O

248
249
250
251
252
253
254

40

CH3-CH2O-SO3-

H+

CH3-CH2O-H + HO-CO-CH3

CH3-COO-C2H5

+ H2O
* Phản ứng trên nhóm hydroxyl:
+ Tác dụng với HX: CH3-CH2-OH + HX
CH3-CH2-X + H2O

+ Tác dụng với Triclo Phốt pho:

14


CH3-CH2-OH + PCl3

255
256

CH3-CH2-Cl + POCl +

HCl

257
258
259
260

Al2O3
to

+ Tác dụng với NH3: CH3-CH2-OH + NH3
C2H5-NH2 + H2O
+ Phản ứng tạo eter và tách loại nước:

261
262

H2SO4

2CH3-CH2-OH

263
264

>150o
C

(CH3-CH2)2O

+

H2O

H2SO4

CH3-CH2-OH

>150o
C

CH2=CH2

+

H2O

265
266

* Phản ứng hydro và oxy hoá:

267
268

CH3-CH2-OH

Cu
200300oC

CH3-CHO

+ H2

269
270

• Ứng dụng: etanol có nhiều ứng dụng hơn metanol,

271

nó đóng một vai trò quan trọng trong nền kinh tế

272

quốc dân. Nó là nguyên liệu dùng để sản suất

273
274

275
276
277
278

43

+ hơn
Công150
nghiệp
cao su
+ Dung
môi hữu
mặt
hàng khác nhau
và được
ứng dụng
tổng hợp
cơ:pha sơn..
+ rộng
Động lực.
+ Nguyên
liệu.
rãi trong các ngành: công
nghiệp
nặng, y

tế+và
dược, quốc phòng, giao thông vận tải,
Rượu

mùi.
dệt,
chế
+ Dấm.
+ Động lực.
+ Thuốc trừ
sâu.

biến gỗ và nông

Nhiên
liệu.
nghiệp.

Etan
ol

+ Thuốc
nhuộm.
+ Tơ nhân
tạo.

+ Đồ nhựa.
+ Keo dán.
+ Hương
liệu.

15
+ Sát trùng.
+ Pha chế

+ Sơn.
+


279
280
281
282
283
284

+ Thuốc súng không
khói.
+ Nhiên liệu hoả tiễn,

285
286
287
288
289
290
291
292
293
294

Sơ đồ tóm tắt vò trí của etanol trong các

295

ngành công nghiệp.

296

• Phương pháp điều chế: có nhiều phương pháp

297

điều chế etanol: hydrat hoá etylen với xúc tác

298

H2SO4; thuỷ phân dẫn xuất halogen và ester của

299

etanol khi đun nóng với nước xúc tác dung dòch

300

bazơ; hydro hoá aldyhyt acêtic; từ các hợp chất cơ

301

kim…

46

16

302

Trong công nghiệp, điều chế etanol bằng phương

303

pháp lên men từ nguồn tinh bột và rỉ đường.

304

Nấm đây, ở nước ta công nghệ sản
Những năm gần

305

suất etanol

306

Saccharomyses cerevisiae để lên men tinh bột:

là sử dụng chủng nấm men

C6H6O6

307
308

men
Zymaza
chủ
yếu

2C2H5OH

+ 2CO2 + 28

Kcal

309
310
311

Trong đó: 95% nguyên liệu chuyển thành etanol
và CO2.

312

5% nguyên liệu chuyển thành sản

313

phẩm phụ: glyxêrin, acid sucxinic, dầu fusel,

314

metylic và các acid hữu cơ(lactic, butylic…).

315

2 . Nước:

316

Trong điều kiện bình thường: nước là chất lỏng

317

không màu, không mùi, không vò nhưng khối nước

318

dày sẽ có màu xanh nhạt.

319
320

Khi hóa rắn nó có thể tồn tại ở dạng 5 dạng tinh
thể khác nhau:

321

Khối lượng phân tử

322

Khối lượng riêng d40 c

323

Nhiệt độ nóng chảy

324

Nhiệt độ sôi

49

: 18
: 1

g / mol
g / ml

: 0 0C
: 100 0 C

17


325

Nước là hợp chất chiếm phần lớn trên trái đất

326

(3/4 diện tích trái đất là nước biển) và rất cần

327

thiết cho sự sống.

328

Nước là dung môi phân cực mạnh, có khả năng

329

hoà tan nhiều chất và là dung môi rất quan trọng

330

trong kỹ thuật hóa học.

331

3 . Hỗn hợp Etanol – Nước:

332
333

Ta có bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt
độ sôi của hỗn hợp Etanol - Nước ở 760 mmHg:
x(%pha
ân mol)

0

5

10

20

30

40

50

60

70

80

0

9.2

16.7

30.3

42.5

53

62.6

71.6

79.5

86.4

y(%pha
ân mol)
t(oC)

118.4 115.4 113.8 110.1 107.5 105.8 104.4 103.3 102.1 101.

334

52

18


335

55

19


337 III. CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ ETANOL – NƯỚC:
338

Etanol là một chất lỏng tan vô hạn trong H 2O, nhiệt

339

độ sôi là 78,30C ở 760mmHg, nhiệt độ sôi của

340

nước là 100oC ở 760mmHg : hơi cách biệt khá xa nên

341

phương pháp hiệu quả để thu etanol có độ tinh khiết

342

cao là phương pháp chưng cất.

343

Trong trường hợp này, ta không thể sử dụng phương

344

pháp cô đặc vì các cấu tử đều có khả năng bay

345

hơi, và không sử dụng phương pháp trích ly cũng như

346

phương pháp hấp thụ do phải đưa vào một khoa mới

347

để tách, có thể làm cho quá trình phức tạp hơn hay

348

quá trình tách không được hoàn toàn.

349
350
351

* Sơ đồ qui trình công nghệ chưng cất hệ
Etanol – nước:
Chú thích các kí hiệu trong qui trình:

352

1 . Bồn chứa nguyên liệu.

353

2 . Bơm.

354

3 . Bồn cao vò.

355

4 . Lưu lượng kế.

356

5 . Thiết bò trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy.

357

6 . Thiết bò gia nhiệt nhập liệu.

358

7 . Bẩy hơi.

359

8 . Tháp chưng cất.

360

9 . Nhiệt kế.

361

10 . p kế.

58

20


362

11 . Thiết bò ngưng tụ sản phẩm đỉnh.

363

12 . Nồi đun.

364

13 . Thiết bò làm nguội sản phẩm đỉnh.

365

14 . Bồn chứa sản phẩm đỉnh.

366

15 . Bồn chứa sản phẩm đáy.

367

16 . Bộ phận phân dòng.

368
369
370
371
372
373
374
375
376
377
378
379
380
381
382
383
384

61

21


385
386
387
388
389

64

22


390

67

23


391
392
393
394
395
396
397
398
399
400
401
402
403
404
405
406
407
408
409

410
411
412
413

70

24


414
415
416
417
418

73

25