Phương pháp chưng.doc

§å ¸n QTTB  SVTH:

PhÇn 1 : Giíi ThiÖu Chung

1.1. Më §Çu.

Chng lµ ph¬ng ph¸p dïng ®Ó t¸ch c¸c hçn hîp chÊt láng (còng nh c¸c

hçn hîp khÝ ®· hãa láng) thµnh nh÷ng cÊu tö riªng biÖt, dùa trªn ®é bay h¬i

kh¸c nhau cña c¸c cÊu tö trong hçn hîp. Chóng ta cã thÓ thùc hiÖn nhiÒu ph-

¬ng ph¸p chng kh¸c nhau nh chng gi¸n ®o¹n, chng liªn tôc, chng ®¬n gi¶n, vµ

chng ®Æc biÖt (chng luyÖn hçn hîp ®¼ng phÝ, chng ph©n tö, chng b»ng h¬i níc

trùc tiÕp, chng trÝch ly).

Ngµy nay, chng ®îc øng dông réng r·i ®Ó t¸ch c¸c hçn hîp:

+ DÇu má, c¸c tµi nguyªn ®îc khai th¸c ë d¹ng láng.

+ Kh«ng khÝ hãa láng.

+ Qu¸ tr×nh tæng hîp h÷u c¬ thêng cho s¶n phÈm ë d¹ng hçn hîp chÊt

láng. VÝ dô: s¶n xuÊt metanol, etylen…

+ C«ng nghÖ sinh häc thêng cho s¶n phÈm lµ hçn hîp chÊt láng nh

etylic-níc tõ qu¸ tr×nh lªn men.

Khi chng, hçn hîp ®Çu chøa bao nhiªu cÊu tö th× ta thu ®îc bÊy nhiªu

cÊu tö s¶n phÈm. §Ó cã thÓ thu ®îc s¶n phÈm ®Ønh tinh khiÕt ta tiÕn hµnh chng

nhiÒu lÇn hay cßn gäi lµ chng luyÖn.

Trong qu¸ tr×nh s¶n xuÊt Axeton thêng kÌm theo rÊt nhiÒu s¶n phÈm phô

lµ Níc. V× vËy, nång ®é còng nh ®é tinh khiÕt cña Axeton kh«ng ®îc cao.

Trong phÇn ®å ¸n nµy sÏ tr×nh bµy thiÕt kÕ th¸p chng luyÖn liªn tôc lo¹i th¸p

®Öm ®Ó ph©n t¸ch hçn hîp Axeton – Níc. Hçn hîp ®Çu gåm 2 cÊu tö lµ

Axeton vµ Níc nªn ®îc gäi lµ chng luyÖn hçn hîp 2 cÊu tö. Axeton – Níc ®-

îc ph©n t¸ch thµnh hai cÊu tö riªng biÖt nhê ph¬ng ph¸p chng luyÖn liªn tôc

Khoa C«ng NghÖ Hãa 1

§å ¸n QTTB  SVTH:

víi th¸p chng luyÖn lµ lo¹i th¸p ®Öm, lµm viÖc ë ¸p suÊt thêng (1at) víi hçn

hîp ®Çu vµo ®îc gia nhiÖt ®Õn nhiÖt ®é s«i.

Sau qu¸ tr×nh chng luyÖn, ta thu ®îc s¶n phÈm ®Ønh lµ cÊu tö cã ®é bay

h¬i lín h¬n (Axeton) vµ mét phÇn rÊt nhá cÊu tö khã bay h¬i h¬n (Níc). S¶n

phÈm ®¸y gåm chñ yÕu cÊu tö khã bay h¬i (Níc) vµ mét phÇn rÊt Ýt cÊu tö dÔ

bay h¬i (Axeton).

Trong suèt qu¸ tr×nh tÝnh to¸n vµ thiÕt kÕ, ®îc sù hãng dÉn trùc tiÕp vµ

sù gióp ®ì nhiÖt t×nh cña ……còng nh víi sù nç lùc vµ cè g¾ng cña b¶n th©n

b¶n ®å ¸n thiÕt kÕ th¸p chng luyÖn liªn tôc lo¹i th¸p ®Öm ®Ó ph©n t¸ch Axeton

– Níc víi c¸c th«ng sè nh néi dung ®Ò tµi ®îc giao cña em ®· ®îc hoµn thµnh

víi néi dung sau:

PhÇn 1. Giíi thiÖu chung.

PhÇn 2. TÝnh to¸n, thiÕt kÕ thiÕt bÞ chÝnh.

PhÇn 3. TÝnh to¸n, thiÕt kÕ thiÕt bÞ phô.

PhÇn 4. KÕt luËn chung.

PhÇn 5. Tµi liÖu tham kh¶o.

Khoa C«ng NghÖ Hãa 2

§å ¸n QTTB  SVTH:

1.2. ThuyÕt minh d©y chuyÒn s¶n xuÊt.

Nguyªn liÖu ®Çu ®îc chøa trong thïng chøa (1) vµ ®îc b¬m (2) b¬m lªn

thïng cao vÞ (3). Møc chÊt láng cao nhÊt ë thïng cao vÞ ®îc khèng chÕ bëi cöa

ch¶y trµn. Hçn hîp ®Çu tõ thïng cao vÞ (3) tù ch¶y xuèng thiÕt bÞ ®un nãng

hçn hîp ®Çu (4), qu¸ tr×nh tù ch¶y nµy ®îc theo dâi b»ng van vµ ®ång hå ®o lu

lîng. T¹i thiÕt bÞ ®un nãng hçn hîp ®Çu (4) (dïng h¬i níc b·o hoµ), hçn hîp

®Çu ®îc gia nhiÖt ®Õn nhiÖt ®é s«i. Sau khi ®¹t ®Õn nhiÖt ®é s«i, hçn hîp nµy

®îc ®a vµo ®Üa tiÕp liÖu cña th¸p chng luyÖn lo¹i th¸p ®Öm (5). Trong th¸p, pha

láng ®i tõ trªn xuèng tiÕp xóc víi h¬i ®îc t¹o thµnh ë thiÕt bÞ ®un s«i ®¸y th¸p

(9) ®i tõ díi lªn, t¹i ®©y x¶y ra qu¸ tr×nh bèc h¬i vµ ngng tô nhiÒu lÇn. Theo

chiÒu cao cña th¸p, cµng lªn cao th× nhiÖt ®é cµng thÊp nªn khi h¬i ®i qua c¸c

tÇng ®Öm tõ díi lªn, cÊu tö cã nhiÖt ®é s«i cao sÏ ngng tô. Qu¸ tr×nh tiÕp xóc

láng – h¬i trong th¸p diÔn ra liªn tôc lµm cho pha h¬i ngµy cµng giµu cÊu tö

dÔ bay h¬i, pha láng ngµy cµng giµu cÊu tö khã bay h¬i. Cuèi cïng trªn ®Ønh

th¸p ta sÏ thu ®îc hÇu hÕt lµ cÊu tö dÔ bay h¬i (Axeton) vµ mét phÇn rÊt nhá

cÊu tö khã bay h¬i (Níc). Hçn hîp h¬i nµy ®îc ®i vµo thiÕt bÞ ngng tô håi lu

(6) vµ t¹i ®©y nã ®îc ngng tô hoµn toµn (t¸c nh©n lµ níc l¹nh). Mét phÇn chÊt

láng sau ngng tô cha ®¹t yªu cÇu ®îc ®i qua thiÕt bÞ ph©n dßng ®Ó håi lu trë vÒ

®Ønh th¸p; phÇn cßn l¹i ®îc ®a vµo thiÕt bÞ lµm l¹nh (7) ®Ó lµm l¹nh ®Õn nhiÖt

®é cÇn thiÕt sau ®ã ®i vµo thïng chøa s¶n phÈm ®Ønh (8). ChÊt láng håi lu ®i tõ

trªn xuèng díi, gÆp h¬i cã nhiÖt ®é cao ®i tõ díi lªn, mét phÇn cÊu tö cã nhiÖt

®é s«i thÊp (Axeton) l¹i bèc h¬i ®i lªn, mét phÇn cÊu tö khã bay h¬i (Níc)

trong pha h¬i sÏ ngng tô ®i xuèng. Do ®ã, nång ®é cÊu tö khã bay h¬i trong

pha láng ngµy cµng t¨ng. Cuèi cïng, ë ®¸y th¸p ta thu ®îc hçn hîp láng gåm

hÇu hÕt lµ cÊu tö khã bay h¬i (Níc), mét phÇn rÊt Ýt cÊu tö dÔ bay h¬i

(Axeton). Hçn hîp láng nµy ®îc ®a ra khái ®¸y th¸p, qua thiÕt bÞ ph©n dßng,

mét phÇn ®îc ®a ra thïng chøa s¶n phÈm ®¸y (10), mét phÇn ®îc tËn dông ®a

Khoa C«ng NghÖ Hãa 3

§å ¸n QTTB  SVTH:

vµo thiÕt bÞ gia nhiÖt ®¸y th¸p (9) dïng h¬i níc b·o hßa. ThiÕt bÞ gia nhiÖt (9)

nµy cã t¸c dông ®un s«i tuÇn hoµn vµ bèc h¬i hçn hîp ®¸y (t¹o dßng h¬i ®i tõ

díi lªn trong th¸p). Níc ngng cña c¸c thiÕt bÞ gia nhiÖt ®îc th¸o qua thiÕt bÞ

th¸o níc ngng (11) ®i xö lý.

Th¸p chng luyÖn lµm viÖc ë chÕ ®é liªn tôc, hçn hîp ®Çu vµo vµ s¶n

phÈm ®îc cung cÊp vµ lÊy ra liªn tôc.

1.3. S¬ ®å d©y chuyÒn c«ng nghÖ.

Khoa C«ng NghÖ Hãa 4

§å ¸n QTTB  SVTH:

H¬i ®èt

N­íc ng­ng

1

2

3

4

5

1 0

6

7

8

9

H¬i ®èt

N ­í c l¹nh

N ­íc

N ­í c n g­ ng

1 1

1 1

N ­íc l¹ nh

N ­íc

* Chó thÝch:

Khoa C«ng NghÖ Hãa 5

§å ¸n QTTB  SVTH:

1- Thïng chøa hçn hîp ®Çu 2- B¬m

3- Thïng cao vÞ 4- ThiÕt bÞ gia nhiÖt hçn hîp ®Çu

5- Th¸p chng luyÖn 6- ThiÕt bÞ ngng tô håi lu

7- ThiÕt bÞ lµm l¹nh s¶n phÈm ®Ønh 8- Thïng chøa s¶n phÈm ®Ønh

9- ThiÕt bÞ gia nhiÖt ®¸y th¸p 10- Thïng chøa s¶n phÈm ®¸y

11- ThiÕt bÞ th¸o níc ngng

1.4. ChÕ ®é lµm viÖc cña th¸p ®Öm.

Tïy thuéc vµo vËn tèc khÝ mµ chÕ ®é thñy ®éng trong th¸p ®Öm lµ chÕ

®é dßng, xo¸y hay sñi bät. ChÕ ®é dßng, vËn tèc khÝ cßn bÐ, lùc hót ph©n tö

lín h¬n lùc ú nªn chuyÓn khèi ®îc quyÕt ®Þnh b»ng khuÕch t¸n ph©n tö. T¨ng

dÇn vËn tèc ®Õn khi lùc ú b»ng lùc ph©n tö qu¸ tr×nh chuyÓn khèi ®îc quyÕt

®Þnh kh«ng chØ b»ng khuÕch t¸n ph©n tö mµ cßn cã khuÕch t¸n ®èi lu. ChÕ ®é

thñy ®éng chuyÓn sang chÕ ®é qu¸ ®é. NÕu tiÕp tôc t¨ng vËn tèc khÝ lªn n÷a, ta

cã chÕ ®é xo¸y vµ qu¸ tr×nh chuyÓn khèi ®îc quyÕt ®Þnh bëi khuÕch t¸n ®èi lu.

§Õn mét giíi h¹n nµo ®ã cña vËn tèc khÝ sÏ x¶y ra hiÖn tîng ®¶o pha. Lóc nµy

chÊt láng sÏ cho¸n toµn bé th¸p vµ trë thµnh pha liªn tôc, cßn khÝ ph©n t¸n vµo

láng vµ trë thµnh pha ph©n t¸n. VËn tèc khÝ øng víi ®iÓm ®¶o pha gäi lµ vËn

tèc ®¶o pha. Do khÝ sôc vµo láng nªn t¹o bät.

Theo thùc nghiÖm th× qu¸ tr×nh chuyÓn khèi ë chÕ ®é sñi bät lµ tèt nhÊt,

song trong thùc tÕ th¸p ®Öm chØ lµm viÖc ë vËn tèc ®¶o pha, v× nÕu t¨ng n÷a sÏ

rÊt khã ®¶m b¶o qu¸ tr×nh æn ®Þnh. ChÕ ®é nµy, chÊt láng ch¶y thµnh mµng

bao quanh ®Öm, nªn cßn gäi lµ chÕ ®é mµng. Do ®ã, trong thùc tÕ th¸p lµm

viÖc ë chÕ ®é mµng.

1.5. ¦u, nhîc ®iÓm cña th¸p ®Öm.

1.5.1. ¦u ®iÓm cña th¸p ®Öm.

+ HiÖu suÊt cao v× bÒ mÆt tiÕp xóc pha lín.

Khoa C«ng NghÖ Hãa 6

§å ¸n QTTB  SVTH:

+ CÊu t¹o th¸p ®¬n gi¶n.

+ Trë lùc trong th¸p kh«ng lín l¾m.

+ Giíi h¹n lµm viÖc cña th¸p t¬ng ®èi réng.

1.5.2. Nhîc ®iÓm cña th¸p ®Öm.

+ Khã lµm ít ®Òu ®Öm.

+ Th¸p cao qu¸ th× ph©n phèi chÊt láng kh«ng ®Òu.

1.6. B¶ng kª c¸c ký hiÖu thêng dïng trong ®å ¸n.

- F: Lîng hçn hîp ®Çu, kg/h (hoÆc kg/s, kmol/h)

- P: Lîng s¶n phÈm ®Ønh, kg/h (hoÆc kg/s, kmol/h)

- W: Lîng s¶n ph¶m ®¸y, kg/h (hoÆc kg/s, kmol/h)

- C¸c chØ sè F, P, W : t¬ng øng chØ ®¹i lîng ®ã thuéc vÒ hçn hîp ®Çu, s¶n

phÈm ®Ønh, s¶n phÈm ®¸y.

- a: nång ®é phÇn khèi lîng cña cÊu tö dÔ bay h¬i, kg níc/kg hçn hîp

- x: nång ®é phÇn mol cña cÊu tö dÔ bay h¬i, kmol níc/kmol hçn hîp

- M: Khèi lîng mol ph©n tö, kg/kmol

- µ: ®é nhít, Ns/m2

- ρ: khèi lîng riªng, kg/m3

- C¸c chØ sè A, N, x, y, hh: t¬ng øng chØ ®¹i lîng thuéc vÒ cÊu tö axeton, níc,

thµnh phÇn láng, thµnh phÇn h¬i vµ hçn hîp.

- Ngoµi ra, c¸c ký hiÖu cô thÓ kh¸c ®îc ®Þnh nghÜa t¹i chç.

PhÇn 2 : TÝnh to¸n, thiÕt kÕ thiÕt bÞ chÝnh.

2.1. TÝnh to¸n c©n b»ng vËt liÖu toµn th¸p.

Khoa C«ng NghÖ Hãa 7

§å ¸n QTTB  SVTH:

2.1.1. TÝnh c©n b»ng vËt liÖu.

- Ph¬ng tr×nh c©n b»ng vËt liÖu cho toµn th¸p.

F = P + W [IX.16 – II.144]

- §èi víi cÊu tö dÔ bay h¬i:

F.aF = P.ap + W.aw [IX.17 – II.144]

- Lîng s¶n phÈm ®Ønh lµ:

p w

F w

a a

a a

P F

−

−

= .

[IX.18 – II.144]

- Lîng s¶n phÈm ®¸y lµ:

W = F – P [IX.19 – II.144]

§Çu bµi cho: F = 5.8 tÊn/h

hay F = 5800 Kg/h

VËy ta cã lîng s¶n phÈm ®Ønh lµ:

1734

0.98 0.01

0.3 0.01

. 5800* =

−

−

=

−

−

=

p w

F w

a a

a a

P F Kg/h

- Lîng s¶n phÈm ®¸y lµ:

W = F - P = 5800 – 1734 = 4066 Kg/h

* §æi nång ®é phÇn khèi lîng sang nång ®é phÇn mol:

¸p dông c«ng thøc:

N

N

A

A

A

A

M

a

M

a

M

a

x

+

= [VIII.1 – II.126]

Víi: 0 58

3 6 M A = MC H = Kg/Kmol

18 02 M N = M H = Kg/Kmol

Thay sè liÖu vµo ta cã:

Khoa C«ng NghÖ Hãa 8

§å ¸n QTTB  SVTH:

( )

N

F

A

F

A

F

F

M

a

M

a

M

a

x

−

+

=

1

0.117

18

1 0.3

58

0.3

58

0.3

=

−

+

= phÇn mol

( )

N

P

A

P

A

P

P

M

a

M

a

M

a

x

−

+

=

1

0.938

18

1 0.98

58

0.98

58

0.98

=

−

+

= phÇn mol

( )

N

w

A

w

A

w

w

M

a

M

a

M

a

x

−

+

=

1

0.003

18

1 0.01

58

0.01

58

0.01

=

−

+

= phÇn mol

* TÝnh khèi lîng ph©n tö trung b×nh cña hçn hîp ®Çu, s¶n phÈm ®Ønh,

s¶n phÈm ®¸y.

- Khèi lîng ph©n tö trung b×nh cña hçn hîp ®Çu:

MF = xF.MA + (1 - xF).MN

MF = 0.117*58 + (1- 0.117)*18

MF = 22.68 Kg/Kmol

- Khèi lîng ph©n tö trung b×nh cña s¶n phÈm ®Ønh:

Mp = xp.MA + (1 - xp).MN

Mp = 0.938*58 + (1- 0.938)*18

Mp = 55.52 Kg/Kmol

- Khèi lîng ph©n tö trung b×nh cña s¶n phÈm ®¸y:

Mw = xw.MA + (1 - xw).MN

Mw = 0.003*58 + (1- 0.003)*18

Khoa C«ng NghÖ Hãa 9

§å ¸n QTTB  SVTH:

Mw = 18.12 Kg/Kmol

* §æi ®¬n vÞ cña F, P, W tõ Kg/h sang Kmol/h

( ) Kmol h

M

F kg h

F

F

255.73 /

22.68

/ 5800

= = =

( ) Kmol h

M

P kg h

P

p

31.23 /

55.52

/ 1734

= = =

( ) Kmol h

M

W kg h

W

w

224.39 /

18.12

/ 4066

= = =

2.1.2. X¸c ®Þnh sè bËc thay ®æi nång ®é.

2.1.2.1. X¸c ®Þnh chØ sè håi lu tèi thiÓu (Rmin)

Theo sè liÖu B¶ng IX.2a (II.145) thµnh phÇn c©n b»ng láng (x) – h¬i

(y) vµ nhiÖt ®é s«i cña hçn hîp 2 cÊu tö Axeton – Níc ë 760 mmHg (% mol)

ta cã b¶ng sau:

B¶ng 1

x 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

y 0 60.3 72 80.3 82.7 84.2 85.5 86.9 88.2 90.4 94.3 100

t

oC 100 77.9 69.6 64.5 62.6 61.6 60.7 59.8 59 58.2 57.5 56.9

Tõ sè liÖu trong b¶ng trªn ta vÏ ®å thÞ ®êng c©n b»ng láng (x) – h¬i (y)

[H×nh 1], víi gi¸ trÞ xF = 0.117 ta dãng lªn ®êng c©n b»ng vµ t×m ®îc gi¸ trÞ

y

*

F = 0.743

H×nh 1: §å thÞ ®êng c©n b»ng láng – h¬i

Khoa C«ng NghÖ Hãa 10