Chưng cất hệ Acetone – Nước

GVHD: Lê Thị Kim Phụng

ĐỒ ÁN
Môn học: QT và Thiết bị công nghệ hóa học Mã số:
Họ và tên sinh viên: LÝ BẢO NGÂN
Lớp: HC08DK

MSSV: 60801340

Ngành: Kỹ thuật dầu khí
1. Đầu đề đồ án:
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG THIẾT BỊ CHƯNG CẤT
LÀM VIỆC LIÊN TỤC Ở ÁP SUẤT THƯỜNG ĐỂ PHÂN TÁCH HỖN HỢP
ACETONE-NƯỚC. NĂNG SUẤT THEO SẢN PHẨM ĐỈNH 1500Kg/h
2. Nhiệm vụ (nộ dung yêu cầu và số liệu ban đầu):
• Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong nguyên liệu đầu: 30%
• Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đỉnh: 95%
• Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy: 1%
• Áp suất hơi đốt 2at, tháp chưng cất loại đĩa lỗ
3. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:
• Mở đầu
• Chọn và thuyết minh dây chuyền công nghệ
• Tính toán cân bằng vật chất và năng lượng
• Tính công nghệ thiết bị chính
• Tính kết cấu thiết bị chính
• Tính và chọn các thiết bị phụ
• Kết luận
• Tài liệu tham khảo
• Phụ lục

1.1 Khái niệm:
Acetone có công thức phân tử : CH3COCH3 .Khối lượng phân tử bằng 58.079 đvC
Là một chất lỏng không màu, dễ lưu động và dễ cháy, với một cách êm dịu và có mùi
thơm.
Nó hòa tan vô hạn trong nước và một số hợp chất hữu cơ như : eter, metanol, etanol,
diacetone alcohol…
Được tìm thấy đầu tiên vào năm 1595 bởi Libavius, bằng chưng cất khan đường, và
đến năm 1805 Trommsdorff tiến hành sản xuất Acetone bằng cách chưng cất Acetat của bồ
tạt và sođa : là một phân đoạn lỏng nằm giữa phân đoạn rượu và eter.
1.2 Ứng dụng :
Acetone được ứng dụng nhiều làm dung môi cho công nghiệp, ví dụ cho vecni, sơn,
sơn mài, cellulose acetate, nhựa, cao su … Nó hoà tan tốt tơ acetate, nitroxenluloz, nhựa
phenol focmandehyt, chất béo, dung môi pha sơn, mực in ống đồng. Acetone là nguyên liệu
để tổng hợp thủy tinh hữu cơ.
Từ Acetone có thể tổng hợp ceten, sumfonat (thuốc ngủ), các holofom.
Một số thông số vật lý và nhiệt động của Acetone :

•

Nhiệt độ nóng chảy

:

-94.6 0C ;

Trang 2


Chưng cất hệ Acetone – Nước



0.316 cp ( ở 250C)

•

Nhiệt trị

:

0.5176 cal/g ( ở 200C)

;

1.3 Tính chất hoá học :
Cộng hợp với natri bisunfit:
OH
CH3COCH3+H2O → CH3 - C - SO3Na (1-metyl-1-hydroxi etan sunfonát natri )
CH3
Cộng hợp axit HCN:
OH
CH3CO + HCN → CH3-C-CN
CH3

( pH= 4-8 )

Phản ứng ngưng tụ :
OH

O


+


Chưng cất hệ Acetone – Nước
1.4 Điều chế :

GVHD: Lê Thị Kim Phụng

Oxy hóa rượu bậc hai:
CH3CHOH-CH3 → CH3COCH3 + H2O
Theo phương pháp Piria : nhiệt phân muối canxi của axit cacboxylic:
(CH3COO)2Ca → CH3COCH3 + CaCO3
Từ dẫn xuất cơ magiê :
O

O

CH3-C-Cl + CH3-MgBr → CH3-C-CH3 + Mg-Br
Cl
Trong thời kỳ chiến tranh thế giới lần thứ nhất, do nhu cầu về nguồn Acetone rất lớn,
tong khi có sự giới hạn trong việc thu dược Acetone từ sự chưng cất gỗ, nên để bổ sung
nguồn Acetone Hoa Kỳ đã áp dụng phương pháp chưng cất khan Ca(CH 3COO)2 – thu được
bằng cách lên men rượu có mặt xúc tác vi khuẩn để chuyển carbohydrate thành Acetone và
Butyl Alcohol.Công nghệ này được ứng dụng chủ yếu trong suốt chiến tranh thế giới lần thứ
nhất và những năm 20 .
Tuy nhiên, đến giữa những năm 20 và cho đến nay công nghệ trên được thay bằng
công nghệ có hiệu quả hơn (chiếm khoảng ¾ phương pháp sản xuất Acetone của Hoa Kỳ) :
Dehydro Isopropyl Alcol.
Ngoài ra, còn một số qúa trình sản xuất Acetone khác :




Chưng cất hệ Acetone – Nước

GVHD: Lê Thị Kim Phụng

•

Xúc tác sử dụng ở đây : đồng và hợp kim của nó, oxit kim loại và muối.

•

Ở nhiệt độ khoảng 325 0C , hiệu suất khoảng 97%.

•

Dòng khí nóng sau phản ứng gồm có : Acetone, lượng Isopropyl Alcol chưa phản
ứng, H2 và một phần nhỏ sản phẩm phụ ( như Propylene, diisopropyl eter …). Hỗn
hợp này được làm lạnh và khí không ngưng được lọc bởi nước . Dung dịch lỏng
được đem đi chưng cất phân đoạn, thu được Acetone ở đỉnh và hỗn hợp của nước,
Isopropyl Alcol ( ít ) ở đáy.

2

Công nghệ chưng cất hỗn hợp Acetone –Nước :

Ta có Acetone là một chất lỏng tan vô hạn trong nước và nhiệt độ sôi của Acetone
( 56.9 0C ở 760 mmHg) và Nước ( 100 0C ở 760 mmHg) : là khá cách xa nhau nên phương
pháp hiệu quả nhất để thu được Acetone tinh khiết là chưng cất phân đoạn dựa vào độ bay
hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp.

Chưng cất liên tục hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục): là quá trình
được thực hiện liên tục, nghịch dòng, nhiều đoạn.
Ngoài ra còn có thiết bị hoạt động bán liên tục .
Trong trường hợp này, do sản phẩm là Acetone – với yêu cầu có độ tinh khiết cao khi
sử dụng , cộng với hỗn hợp Acetone – Nước là hỗn hợp không có điểm đẳng phí nên chọn
phương pháp chưng cất liên tục là hiệu quả nhất.
2.2 Loại tháp 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…

-

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.


GVHD: Lê Thị Kim Phụng

- Độ ổn định không cao, khó - Kết cấu khá phức tạp.
vận hành.

tư, kết cấu phức
tạp.

- Do có hiệu ứng thành →
khi tăng năng suất thì hiệu
ứng thành tăng → khó tăng
năng suất.
- Thiết bị khá nặng nề.
Vậy: ta sử dụng tháp mâm xuyên lỗ để chưng cất hệ Aceton – Nước.

3

Sơ đồ qui trình công nghệ và thuyết minh qui trình công nghệ:

3.1 Sơ đồ qui trình công nghệ (đính kèm)
3.2 Thuyết minh quy trình công nghệ
Hỗn hợp Acetone- Nước có nồng độ Acetone 30% ( theo khối lượng) , nhiệt độ
khoảng 27 0C tại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3). Từ đó
được đưa đến thiết bị gia nhiệt (3) bằng hơi nước bão hòa. Ở đây, hỗn hợp được đun sôi đến
nhiệt độ sôi . Sau đó, hỗn hợp được đưa qua lưu lượng kế (6) vào tháp chưng cất (8) ở đĩa
nhập liệu.
Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn cất 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

1

Cân bằng vật chất

3.3 Các số liệu ban đầu :
Năng suất sản phẩm đỉnh thu được :1500 ( Kg/h )
Sản phẩm có nồng độ Acetone : 95% theo khối lượng.
Nhập liệu có nồng độ Acetone : 30% theo khối lượng .
Thiết bị hoạt động liên tục.
3.4 Các ký hiệu :
F : lượng nhập liệu ban đầu ( Kmol/h )
D : lượng sản phẩm đỉnh ( Kmol/h )
W : lượng sản phẩm đáy ( Kmol/h )
xF :nồng độ mol Acetone trong nhập liệu
xD : nồng độ mol Acetone trong sản phẩm đỉnh
xW : nồng độ mol Acetone trong sản phẩm đáy
3.5 Xác định suất lượng nhập liệu và sản phẩm đáy:
Phương trình cân bằng vật chất cho toàn bộ tháp chưng cất :
F=D+W(1)
F * x F = D * xD + W * xW

(2)

Chuyển từ phần khối lượng sang phần mol:
xF
M1

xF =

x F (1 − x F )

=

xw
M1

xW =

x w (1 − x w )
+
M1
M2

=

GVHD: Lê Thị Kim Phụng

0.95
58
0.95 (1 − 0.95)
+
58
18

0.01
58
0.01 (1 − 0.01)
+
58
18



= 28.736 ( Kmol/h )

( 1 ) và ( 2 ) ta có hệ phương trình :
F = D + W

F * x F = D * x D + W * x W

Trang 10


Chưng cất hệ Acetone – Nước

GVHD: Lê Thị Kim Phụng

 F = 28.736 + W

 F * 0.117 = 28.736 * 0.855 + W * 0.003125
⇔

 F = 214.97( Kmol / h)

W = 186 .23( Kmol / h)
⇔

hay

4

 F = 4875.46( Kg / h)


90

100

y

0

60.
3

72

80.
3

82.
7

84.
2

85.
5

86.
9

88.

60.
7

59.
8

59

58.
2

57.
5

56.9

Hình 1: Đồ thị cân bằng x-y hệ Acetone – nước
4.2 Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp :
4.2.1 Chỉ số hồi lưu tối thiểu :
Do nhập liệu ở trạng thái lỏng bão hòa, nên Rmin được xác định như sau:

Trang 11


Chưng cất hệ Acetone – Nước

GVHD: Lê Thị Kim Phụng

xD − y
y F* − x F

mx* (Rx + 1)

0.5

57

5.7456

8.6184

0.55

55.161

5.5052

8.5331

0.57

54.459

5.4046

8.4852

0.59

53.774


GVHD: Lê Thị Kim Phụng
Ta biết tiết diện của tháp tỉ lệ thuận với lượng hơi đi trong tháp, mà lượng hơi lại tỉ lệ
thuận với lượng lỏng hồi lưu trong tháp, như vậy tiết diện tháp tỉ lệ với lượng hồi lưu . Tức
là f ∼ ( Rx + 1 ) * GD
Trong một điều kiện làm việc nhất định thì GD là không đổi.
Nên f ∼ ( Rx + 1).
Còn chiều cao tháp tỉ lệ với số đơn vị chuyển khối H ∼ mx , nên cuối cùng ta có thể
viết V = f*H ∼ mx ( Rx + 1)
Từ đó ta sẽ lập được sự phụ thuộc giữa Rx _ mx * ( Rx + 1 ) . Mối quan hệ này sẽ cho
ta tìm được một giá trị Rx mà thể tích của thiết bị chưng cất ứng với nó là tối ưu Rxth .Vẽ
i

đồ thị quan hệ giữa (mx *(Rxi + 1) _ Rxi ) để tìm Rxth

Hình 2 Đồ thị tìm giá trị Rth

5

Phương trình đường làm việc :
Phương trình đường làm việc làm cất :

y=

Rx
Rx + 1

xD
Rx + 1

x+


6

GVHD: Lê Thị Kim Phụng

Xác định số mâm lý thuyết và số mâm thực tế :

6.1 Xác định số mâm lý thuyết:
Do điều kiện nhập liệu là lỏng bão hòa, ta có đường nhập liệu là đường :
x = xF = 0,117
Ta kẻ các đường làm việc của phần cất và phần chưng trên cùng đồ thị được số bậc
thang là 5,92 , tương ứng với số mâm lý thuyết là 6 ( kể cả nồi đun)

6.2 Xác định số mâm thực tế:
Xác định hiệu suất trung bình của tháp ηtb :
ηtb = f ( α , µ )

α=

y 1− x
1− y x

: độ bay hơi tương đối

x, y : nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng, pha hơi
Độ nhớt của hỗn hợp lỏng µ : tra theo nhiệt độ
µtb = (η1 + η2 + η3) / 3
η1 , η2 , η3 : lần lượt là hiệu suất ở mâm đỉnh, mâm đáy, mâm nhập liệu.
Từ giãn đồ x-y, t-x,y : tìm nhiệt độ tại các vị trí và nồng độ pha hơi cân bằng với pha
lỏng :

xW = 0.003125
yW = 0.038 →

yw

= 0.113

O

tW = 98.608 C
Xác định độ nhớt, độ bay hơi tương đối, hiệu suất tại các vị trí :
Vị trí mâm đỉnh :
O

tD = 57.815 C ⇒ µnước = 0.4846 * 10-3 Ns/m2
µacetone = 0.2335 * 10-3 Ns/m2
(Tra bảng I.101, I.102, [1])
⇒ lg µhh = xD* lg µacetone + ( 1 – xD ) * lg µnước
⇒ µhh = 0.25958*10-3 Ns/m2
α = 2.0329
α*µ = 0.5277*10-3
⇒ η1 = 0.58

( Hình IX.11, [2])

Vị trí mâm nhập liệu :
O

tF = 68.302 C ⇒ µnước = 0.4157 * 10-3 Ns/m2
µacetone = 0.22 * 10-3 Ns/m2

= 0.41

⇒ Ntt =

5.40
0.41

= 13 ( mâm )

⇒ Số mâm thực tế cho phần cất : 5
Số mâm thực tế cho phần chưng :8
Và nhập liệu ở mâm số : 5

Trang 16


Chưng cất hệ Acetone – Nước

GVHD: Lê Thị Kim Phụng

CHƯƠNG 3:

CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
1

Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng cất

Phương trình cân bằng năng lượng :
2


2

• Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp QD (J/h):
2

QD = D2 *λhơi = D2 * (rhơi + Chơi* thơi)
Dùng hơi nước ở áp suất 2at , rhơi = 2173 (Kj/Kg), thơi = 119,6 oC
λhơi : nhiệt lượng riêng của hơi đốt ( J/Kg)
rhơi : ẩn nhiệt hóa hơi ( J/Kg)

Trang 17


Chưng cất hệ Acetone – Nước
GVHD: Lê Thị Kim Phụng
o
thơi , Chơi : nhiệt độ C và nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/Kg.độ)
• Nhiệt lượng do lưu lượng lỏng hồi lưu mang vào :
QR = GR * CR * tR
CR = CD :nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh :
tD = 57,815 oC → Cnước = 4189,6 ( J/Kg.độ)
C acetone = 2299 (J/Kg.độ )
⇒ CD = C R =

xD

* Cacetone + ( 1 -

xD


)

= 0.9748 (phần khối lượng )

λacetone , λnước :: nhiệt lượng riêng của acetone, nước :
λacetone = racetone + tD . Cacetone
λnước = rnước + tD . Cnước
rnước, racetone , Cacetone , C nước (tra ở bảng I.212 và bảng I.153, [1]) ở tD=57.815
→

Cacetone = 2297,9 ( J/Kg.độ )
Cnước = 4189,6 (J/Kg.độ )
Trang 18


Chưng cất hệ Acetone – Nước
→ racetone = 523,35 (Kj/Kg)
rnước
→ λnước

=

GVHD: Lê Thị Kim Phụng

2371,249 ( Kj/Kg)

= 2613,47*103(J/Kg)

λacetone = 656,203 *103(J/Kg)
→ λD = 705,6*103 ( Kj/Kg)

đốt

cần

thiết

để

Qy + Qw + Qxq 2 − QF − QR

D2 =

λ2

=

đun

sôi

dung

dịch

ở

Qy + Qw − QF − QR

Trang 19


2

=33,5 0C

Nhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ trung bình Cn = 4180,94 (J/Kg.độ )
yD = 0,962 → tD (hơi) = 57,815 0C
→ Ẩn nhiệt hóa hơi raceton= 523,35 * 103 (J/Kg)
rnước= 2371,249*103 ( J/Kg)
→ rD = 569,985 *103 ( J/Kg)
Suy ra lượng nước lạnh cần tiêu tốn Gn1 = 24696,59 (Kg/h) =6,86( Kg/s)
7.2 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh :
Phương trình cân bằng năng lượng :

Nhiệt độ vào của sản phẩm đỉnh t =57,815 0C
D
Nhiệt độ ra của sản phẩm đỉnh tmtr = 350C
Nước làm nguội có nhiệt độ vào, ra là :t1 = 27 0C, t2 = 40 0C
Nhiệt độ trung bình của nước làm lạnh ttb = (27+ 40 )/2 = 33,5 0C
Nhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ ttb là Cn = 4176,6 (J/Kg.độ )
Nhiệt độ trung bình của sản phẩm đỉnh :
'
tb

t = (57,815 + 30 )/2 = 46,4075 0C
→ Cacetone =2260,8 ( J/Kg,độ )
Trang 20


Chưng cất hệ Acetone – Nước
Cnước =4182,49 (J/Kg.độ )

Trang 21


Chưng cất hệ Acetone – Nước
W
(kg/h)
4875,46

tF

t’F

ttb

68,
3

58,0
1

63,1
5

GVHD: Lê Thị Kim Phụng

30

Ca

C nc

ωtb :tốc độ hơi trung bình đi trong tháp (m/s).
gtb : lượng hơi trung bình đi trong tháp (Kg/h).
Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng và đoạn cất khác nhau. Do đó, đường kính
đoạn chưng và đoạn cất cũng khác nhau .
7.5 Đường kính đoạn cất :
7.5.1 Lượng hơi trung bình đi trong tháp :
g tb =

g d + g1
2

(Kg/h)

gd : lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (Kg/h).
g1 : lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn cất (Kg/h).
• Xác định gd : gd = D.(R+1) =1500.(0,57+1) = 2355 (Kg/h)
= 42,881(Kmol/h)
(Vì MthD =58.yD+(1-yD).18 = 54,92 Kg/Kmol).
•

Xác định g1 : Từ hệ phương trình :

Trang 23


Chưng cất hệ Acetone – Nước
 g1 = G1 + D

 g1 . y1 = G1 .x1 + D.x D
 g .r = g .r

2

(Kg/h)

Trang 24


Chưng cất hệ Acetone – Nước
7.5.2 Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp :

GVHD: Lê Thị Kim Phụng

Tốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp với mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền :
ω gh = 0,05.

ρ xtb
ρ ytb

Với : rxtb : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (Kg/m3) .
rytb : khối lượng riêng trung bình của pha hơi (Kg/m3) .
•

Xác định rxtb :

rxtb =
xtb =

Suy ra :

 xtb 1 − xtb 

÷ = 846, 792 Kg / m
ρ
ρ
N 
 A

(

)

Xác định rytb :
ρ ytb =

[ ytb .46 + (1 − ytb ).18].273
22,4.( t tb + 273)

Với: Nồng độ phân mol trung bình lỏng : xtb =

xF + xD
2

Trang 25

=

0,117 + 0,855
2

=0,486