Đề tài Thiết kế hệ thống chưng cất nước – axit axetic có năng suất là 500l/h

Ch ng luy n Acid acetic - Nc GVHD: Hoàng Minh Nam i h c Qu c gia TpHCM Tr ng i h c Bách Khoa Khoa Công ngh Hóa h c & D u khí B MÔN MÁY & THI T B

 ÁN MÔN H C Quá trình & Thi t b (MSMH: 605040) TÀI: “thi t k h th ng ch ng c t N c – Axit axetic có n ng su t là 500l/h” GVHD : Th y Hoàng Minh Nam SVTH : V n Th Ánh Minh MSSV : 60301693 Lp : HC03 – TP2 Ngành : Hóa - th c ph m Nm h c 2005-2006 Trang 1 Ch ng luy n Acid acetic - Nc GVHD: Hoàng Minh Nam MC L C Li m u ......................................................................................................................... 1 CH NG I: GI I THI U . ............................................................................................. 2 I. Lý thuy t v ch ng c t ................................................................................................. 2 1. Khái ni m .................................................................................. 2 2. Các ph ơ ng pháp ch ng c t. ..................................................... 2 3. Thi t b ch ng c t ..................................................................... 3 II. Gi i thi u s ơ b v nguyên li u. .................................................................................. 3 1. Axit axetic ................................................................................. 3 2. Nc. ......................................................................................... 4 CH NG II: QUY TRÌNH CÔNG NGH .................................................................... 5 CH NG III: CÂN B NG V T CH T ........................................................................ 8 I. Các thông s ban u. ...................................................................................... 8 II. Xác nh su t l ng s n ph m nh và s n ph m áy thu c ................... 8 III. Xác nh t s hoàn l u làm vi c ...................................................................... 9 IV . Xác nh su t l ng mol các dòng pha ......................................................... 10 CH NG IV: TÍNH CÂN B NG NHI T ................................................................... 12 CH NG V: TÍNH THI T B CHÍNH. ...................................................................... 14 I. ng kính tháp …... ...................................................................................... 14 II. Chi u cao tháp ................................................................................................ 18 III. Tr l c tháp .................................................................................................... 19 IV . B dày tháp ...................................................................................................... 23 V. B dày mâm ..................................................................................................... 25 VI . Bích ghép thân – áy và n p .......................................................................... 26 VII . Chân tháp ................................................................................................... 27 VIII . Tai treo tháp .................................................................................................... 28 IX . Ca n i ng d n v i thi t b – bích n i các b ph n c a thi t b và ng dn……………. .............................................................................................. 29 1. ng nh p li u........................................................................ 30 2. ng h ơi nh tháp. ............................................................. 30 3. ng hoàn l u ........................................................................ 31 4. ng h ơi áy tháp. .............................................................. 31 5. ng d n l ng vào ni un..................................................... 31 6. ng d n l ng ra kh i n i un. .............................................. 32 X. Lp cách nhi t ................................................................................................ 33 CH NG V: TÍNH THI T B PH . ........................................................................... 34 I. Thi t b un sôi áy tháp …... ......................................................................... 34 II. Thi t b làm ngu i s n ph m áy ................................................................... 37 III. Thi t b ng ng t s n ph m nh ................................................................... 41 IV . Thi t b un sôi dòng nh p li u ..................................................................... 44 V. Bn cao v ........................................................................................................ 48 VI . Bơm. ............................................................................................................. 51 Trang 2 Ch ng luy n Acid acetic - Nc GVHD: Hoàng Minh Nam CH NG VII: TÍNH KINH T . .................................................................................. 53 Li k t… ……………… ................................................................................................. 55 Tài li u tham kh o ........................................................................................................... 55 Trang 3 Ch ng luy n Acid acetic - Nc GVHD: Hoàng Minh Nam LI M U 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. án môn h c Quá trình và Thi t b là m t môn h c mang tính tng h p trong quá trình h c t p c a các k s Công ngh Hóa h c tơ ng lai. Môn h c giúp sinh viên gi i quy t nhi m v tính toán c th v: quy trình công nghê, k t c u, giá thành c a m t thi t b trong s n xu t hóa ch t - th c ph m. ây là b c u tiên sinh viên v n dng nh ng ki n th c ã h c c a nhi u môn h c vào gi i quyt nh ng vn k thu t th c t m t cách t ng h p. 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. Ch ơ ng 1 Trang 4 Ch ng luy n Acid acetic - Nc GVHD: Hoàng Minh Nam GI I THI U I. LÝ THUY T V CH NG C T : 1. Khái ni m:  Ch ng c t là quá trình dùng tách các c u t c a m t h n h p l ng c ng nh h n hp khí l ng thành các c u t riêng bi t d a vào bay h ơi khác nhau c a các c u t trong hn h p (ngh a là khi cùng m t nhi t , áp su t h ơi bão hòa c a các c u t khác nhau).  Thay vì a vào trong h n h p m t pha m i t o nên s ti p xúc gi a hai pha nh trong quá trình h p thu ho c nh khí, trong quá trình ch ng c t pha m i c t o nên b ng s bc h ơi ho c ng ng t .  Trong tr ng h p ơn gi n nh t, ch ng c t và cô c không khác gì nhau, tuy nhiên gi a hai quá trình này có m t ranh gi i c ơ b n là trong quá trình ch ng c t dung môi và ch t tan u bay h ơi (ngh a là các c u t u hi n di n trong c hai pha nh ng v i t l khác nhau), còn trong quá trình cô c thì ch có dung môi bay h ơi còn ch t tan không bay h ơi.  Khi ch ng c t ta thu c nhi u c u t và th ng thì bao nhiêu c u t s thu c by nhiêu s n ph m. N u xét h ơn gi n ch có 2 c u t thì ta thu c 2 s n ph m:  Sn ph m nh ch y u g m c u t có bay h ơi bé và m t ph n r t ít các c u t có bay h ơi l n.  Sn ph m áy ch y u g m c u t có bay h ơi l n và m t ph n r t ít c u t có bay h ơi bé. i v i h N c – Axit axetic thì:  Sn ph m nh ch y u là n c.  Sn ph m áy ch y u là axit axetic. 2. Các ph ơ ng pháp ch ng c t: 2.1. Phân lo i theo áp su t làm vi c: - Áp su t th p - Áp su t th ng - Áp su t cao 2.2. Phân lo i theo nguyên lý làm vi c: - Ch ng c t ơn gi n - Ch ng b ng h ơi n c tr c ti p - Ch ng c t 2.3. Phân lo i theo ph ơ ng pháp c p nhi t áy tháp: - Cp nhi t tr c ti p - Cp nhi t gián ti p Vy: i v i h N c – Axit axetic, ta ch n ph ơ ng pháp ch ng c t liên t c c p nhi t gián ti p b ng n i un áp su t th ng. 3. Thi t b ch ng c t: Trong s n xu t th ng dùng nhi u lo i thi t b khác nhau ti n hành ch ng c t. Tuy nhiên yêu c u c ơ b n chung ca các thi t b v n gi ng nhau ngh a là di n tích b m t ti p xúc pha ph i l n, iu này ph thu c vào m c phân tán c a m t l u ch t này vào l u ch t kia. Nu pha khí phân tán vào pha l ng ta có các lo i tháp mâm, n u pha l ng phân tán vào pha khí ta có tháp chêm, tháp phun,… ây ta kh o sát 2 lo i th ng dùng là tháp mâm và tháp chêm.  Tháp mâm: thân tháp hình tr , th ng ng phía trong có g n các mâm có c u t o khác nhau, trên ó pha l ng và pha h ơi c cho ti p xúc v i nhau. Tùy theo c u t o c a a, ta có: - Tháp mâm chóp : trên mâm b trí có chóp d ng tròn, xupap, ch s… Trang 5 Ch ng luy n Acid acetic - Nc GVHD: Hoàng Minh Nam - Tháp mâm xuyên l : trên mâm có nhi u l hay rãnh  Tháp chêm (tháp m): tháp hình tr , g m nhi u b c n i v i nhau b ng m t bích hay hàn. V t chêm c cho vào tháp theo m t trong hai ph ơ ng pháp: x p ng u nhiên hay x p th t . So sánh u nh c im c a các lo i tháp: Tháp chêm Tháp mâm xuyên l Tháp mâm chóp - Cu t o khá ơn gi n. - Tr l c t ơ ng i th p. - Khá n nh. - Tr l c th p. - Hi u su t khá cao. - Hi u su t cao. u - Làm vi c c v i ch t l ng b n im nu dùng m c u có ρ ≈ ρ ca ch t l ng. - Do có hi u ng thành → hi u - Không làm vi c c - Có tr l c l n. su t truy n kh i th p. vi ch t l ng b n. - Tiêu t n nhi u - n nh không cao, khó v n - Kt c u khá ph c t p. vt t , k t c u Nh c hành. ph c t p. im - Do có hi u ng thành → khi t ng nng su t thì hi u ng thành t ng → khó t ng n ng su t. - Thi t b khá n ng n . Vy: ta s d ng tháp mâm xuyên l ch ng c t h N c – Axit axetic. II. GI I THI U SƠ B V NGUYÊN LI U : 1. Axit axetic : 1.1. Tính ch t:  Là 1 ch t l ng không màu, có mùi s c c tr ng, tr ng l ng riêng 1,0497 ( 20 oC) o o  Khi h nhi t xu ng 1 ít ã ông c thành 1 kh i tinh th có T nc = 16,635 – 0,002 , Tosôi = 118 oC  Tan trong n c, r u và ete theo b t k t l nào  Là 1 axit y u, h ng s phân ly nhi t ng c a nó 25 oC là K = 1,75.10 −5 Tính n mòn kim lo i:  Axit axetic n mòn s t.  Nhôm b n mòn b i axit loãng, nó kháng t t i v i axit axetic c và thu n khi t. ng và chì b n mòn b i axit axetic v i s hi n di n c a không khí.  Thi c và m t s lo i thép nikel – crom kháng t t i v i axit axetic. 1.2. iu ch : Axit axetic c iu ch b ng cách: 1) Oxy hóa có xúc tác i v i c n etylic bi n thành andehit axetic, là m t giai on trung gian. S oxy hóa kéo dài s ti p t c oxy hóa andehit axetic thành axit axetic. CH 3CHO + ½ O 2 = CH 3COOH C2H5OH + O 2 = CH 3COOH + H 2O 2) Oxy hóa andehit axetic ưc t o thành b ng cách t ng h p t acetylen. S oxy hóa andehit c ti n hành b ng khí tr i v i s hi n di n c a coban axetat. Ng i ta thao tác trong andehit axetic nhi t g n 80 oC ng n ch n s hình thành peroxit. Hi u su t t 95 – 98% so v i lý thuy t. Ng i ta t c nh th r t d dàng sau khi ch axit axetic k t tinh c. Coban axetat ôû 80 o C CH 3CHO + ½ O 2  → CH 3COOH Trang 6 Ch ng luy n Acid acetic - Nc GVHD: Hoàng Minh Nam 3) Tng h p i t c n metylic và Cacbon oxit. Hi u su t có th t 50 – 60% so v i lý thuy t b ng cách c nh cacbon oxit trên c n metylic qua xúc tác. Nhi t t 200 – 500 oC, áp su t 100 – 200atm: CH 3OH + CO → CH 3COOH vi s hi n di n c a metaphotphit ho c photpho – vonframat kim lo i 2 và 3 hóa tr (ch ng hn s t, coban). 1.3. ng d ng: Axit axetic là m t axit quan tr ng nh t trong các lo i axit h u c ơ. Axit axetic tìm c r t nhi u ng d ng vì nó là lo i axit h u c ơ r ti n nh t. Nó c dùng ch t o r t nhi u h p ch t và ester. Ngu n tiêu th ch y u c a axit axetic là:  Làm d m n (d m n ch a 4,5% axit axetic).  Làm ông c nh a m cao su.  Làm ch t d o t ơ s i xenluloza axetat – làm phim nh không nh y l a.  Làm ch t nh a k t dính polyvinyl axetat.  Làm các ph m màu, d c ph m, n c hoa t ng h p.  Axetat nhôm dùng làm ch t c n màu (mordant trong ngh nhu m)  Ph n l n các ester axetat u là các dung môi, thí d : izoamyl axetat hòa tan c nhi u lo i nha xenluloza. 2. Nc: Trong iu ki n bình th ng: n c là ch t l ng không màu, không mùi, không v nh ng kh i n c dày s có màu xanh nh t. Khi hóa r n nó có th t n t i d ng 5 d ng tinh th khác nhau. Tính ch t v t lý:  Kh i l ng phân t : 18 g / mol 0  Kh i l ng riêng d 4 c : 1 g / ml  Nhi t nóng ch y : 0 0C  Nhi t sôi : 100 0 C Nc là h p ch t chi m ph n l n trên trái t (3/4 di n tích trái t là n c bi n) và r t cn thi t cho s s ng. Nc là dung môi phân c c m nh, có kh n ng hoà tan nhi u ch t và là dung môi r t quan tr ng trong k thu t hóa h c. Ch ơ ng 2 QUY TRÌNH CÔNG NGH Chú thích các kí hi u trong qui trình: 1. Bn ch a nguyên li u. 2. Bơm. 3. Bn cao v . 4. Thi t b un sôi dòng nh p li u. 5. By h ơi. 6. Lu l ng k . 7. Nhi t k . 8. Tháp ch ng c t. 9. Thi t b ng ng t s n ph m nh. Trang 7 Ch ng luy n Acid acetic - Nc GVHD: Hoàng Minh Nam 10. Áp k . 11. Thi t b un sôi áy tháp. 12. Thi t b làm ngu i s n ph m áy. 13. Bn ch a s n ph m áy. 14. B ph n chia dòng. 15. Bn ch a s n ph m nh. Trang 8 Ch ng luy n Acid acetic - Nc GVHD: Hoàng Minh Nam 3 9 t° = 40 °C Nöôùc laøm laïnh t° = 25 °C 14 T P 10 Hôi ñoát 4 P = 2,5at 8 Nöôùc 7 5 T Nöôùc ngöng 6 T 1 2 11 x = 92% Hôi ñoát t° = 25 °C P = 2,5at 12 Nöôùc laøm laïnh t° = 25 °C Nöôùc t° = 35 °C ngöng 13 x =72% t° = 40 °C Trang 9 Ch ng luy n Acid acetic - Nc GVHD: Hoàng Minh Nam Hn h p N c – Axit axetic có n ng n c 92% (theo ph n kh i l ng), nhi t kho ng 25 0C t i bình ch a nguyên li u (1) c b ơm (2) b ơm lên b n cao v (3). Sau ó, h n hp c gia nhi t n nhi t sôi trong thi t b un sôi dòng nh p li u (4), r i c a vào tháp ch ng c t (8) a nh p li u. Trên a nh p li u, ch t l ng c tr n v i ph n l ng t on luy n c a tháp ch y xu ng. Trong tháp, h ơi i t d i lên g p ch t l ng t trên xu ng. ây, có s ti p xúc và trao i gi a hai pha v i nhau. Pha l ng chuy n ng trong ph n ch ng càng xu ng d i càng gi m nng các c u t d bay h ơi vì ã b pha h ơi t o nên t n i un (11) lôi cu n c u t d bay hơi. Nhi t càng lên trên càng th p, nên khi h ơi i qua các a t d i lên thì c u t có nhi t sôi cao là axit axetic s ng ng t l i, cu i cùng trên nh tháp ta thu c h n h p có c u t n c chi m nhi u nh t (có n ng 99,5% ph n kh i l ng). H ơi này i vào thi t b ng ng t (9) và c ng ng t hoàn toàn. M t ph n c a ch t l ng ng ng t c hoàn l u v tháp a trên cùng. M t ph n c u t có nhi t sôi th p c b c h ơi, còn l i c u t có nhi t sôi cao trong ch t l ng ngày càng t ng. Cu i cùng, áy tháp ta thu c h n h p l ng h u ht là các cu t khó bay h ơi (axit axetic). H n h p l ng áy có n ng n c là 72% ph n kh i l ng, còn l i là axit axetic. Dung d ch l ng áy i ra kh i tháp vào n i un (11). Trong n i un dung d ch l ng m t ph n s b c h ơi cung c p l i cho tháp ti p t c làm vi c, ph n còn l i ra kh i n i un i qua thi t b làm ngu i s n ph m áy (12), c làm ngu i n 40 0C, r i c a qua b n ch a s n ph m áy (13). H th ng làm vi c liên t c cho ra s n ph m nh là n c c th i b , s n ph m áy là axit axetic c gi l i. Ch ơ ng 3 CÂN B NG V T CH T I. CÁC THÔNG S BAN U : Ch n lo i tháp là tháp mâm xuyên l . Khi ch ng luy n dung d ch axit axetic thì c u t d bay h ơi là n c. Trang 10 Ch ng luy n Acid acetic - Nc GVHD: Hoàng Minh Nam Axit axetic: CH COOH ⇒ M = 60 /g( mol) Hn h p:  3 A Nöôùc: H2O ⇒ M N = 18 /g( mol) 3  Nng su t nh p li u: G F = 0.5 (m /h)  Nng nh p li u: xF = 92% (kg n c/ kg h n h p)  Nng s n ph m nh: xD = 99.5% (kg n c/ kg h n h p)  Nng s n ph m áy: xW = 72% (kg n c/ kg h n h p)  Ch n: o  Nhi t nh p li u: t FV = 25 C  Tr ng thái nh p li u là tr ng thái l ng sôi. i v i thi t b un sôi áy tháp :  Ap su t h ơi t : P h = 2.5at i v i thi t b làm ngu i s n ph m áy : o  Nhi t s n ph m áy sau khi làm ngu i: t WR = 40 C o  Nhi t dòng n c l nh i vào: t V = 25 C o  Nhi t dòng n c l nh i ra: t R = 35 C i v i thi t b ng ng t s n ph m nh : o  Nhi t dòng n c l nh i vào: t V = 25 C o  Nhi t dòng n c l nh i ra: t R = 40 C  Các ký hi u:  GF, F: su t l ng nh p li u tính theo kg/h, kmol/h.  GD, D: su t l ng s n ph m nh tính theo kg/h, kmol/h.  GW, W: su t l ng s n ph m áy tính theo kg/h, kmol/h.  xi, xi : n ng ph n mol, ph n kh i l ng c a c u t i. II. XÁC NH SU T L NG S N PH M NH và S N PH M ÁY THU C : Tra b ng 1.249, trang 310, [5] o 3 ⇒ Kh i l ng riêng c a n c 25 C: ρN = 996,5 (kg/m ) Tra b ng 1.2, trang 9, [5] o 3 ⇒ Kh i l ng riêng c a axit axetic 25 C: ρAL = 1042,75 (kg/m ) Áp d ng trong công th c (1.2), trang 5, [5]: 1 xFN xFA 92,0 08.0 3 = + = + ⇒ ρhh = 1000 (kg/m ) ρ hh ρ N ρ A 996 5, 1042 75, 3 3 Nng su t nh p li u : G F = 0,5 (m /h) × 1000 (kg/m ) = 500 (kg/h) G = G + G un gián ti p :  F D W G F xF = G D xD + G W x W G G G ⇔ F = D = W xD − x W xF − xW xD − xF xF − xW 92 − 72 Nên : G D = GF = 500 = 363 64, (kg/h) xD − xW 99 5, − 72 Và: G W = G F – GD = 500 – 363,64 = 136,36 (kg/h) III. XÁC NH T S HOÀN L U LÀM VI C : 1. Nng ph n mol: Trang 11 Ch ng luy n Acid acetic - Nc GVHD: Hoàng Minh Nam xF 92,0 M x = N = 18 = 0,9746 (mol n c/ mol h n h p) F x 1− x 92,0 1− 92,0 F + F + M N M A 18 6