CHÖÔNG 1 GIÔÙI THIEÄU VEÀ BENZEN, TOLUEN VAØ QUI TRÌNH COÂNG NGHEÄ 1 Giôùi thieäu sô boä Benzen là một hợp chất mạch vòng, ở dạng lỏng không màu và có mùi thơm nhẹ Công thức phận tử là C6H6 Benzen khô.
CHƯƠNG GIỚI THIỆU VỀ BENZEN, TOLUEN VÀ QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ Giới thiệu sơ : Trang Benzen: hợp chất mạch vòng, dạng lỏng khơng màu có mùi thơm nhẹ.Cơng thức phận tử C6H6 Benzen khơng phân cực,vì tan tốt dung môi hữu không phân cực tan nước.Trước người ta thường sử dụng benzen làm dung mơi Tuy nhiên sau người ta phát nồng độ benzen khơng khí cần thấp khoảng 1ppm có khả gây bệnh bạch cầu, nên ngày benzen sử dụng hạn chế Các tính chất vật lí benzen: o Khối lượng phân tử:78.11 o Tỉ trọng(20oc): 0.879 o Nhiệt độ sơi:80oc o Nhiệt độ nóng chảy:5.5oc Toluen: hợp chất mạch vịng,ở dạng lỏng có tính thơm ,cơng thức phân tử tương tự benzen có gắn thêm nhóm –CH3.Khơng phân cực,do toluen tan tốt benzen.Toluen có tính chất dung mơi tương tự benzen độc tính thấp nhiều, nên ngày thường sử dụng thay benzen làm dung môi phịng thí nghiệm cơng nghiệp Các tính chất vật lí toluen: o Khối lượng phân tử : 92.13 o Tỉ trọng (20oC) : 0.866 o Nhiệt độ sơi : 111oC o Nhiệt độ nóng chảy : -95 oC Các phương thức điều chế : Đi từ nguồn thiên nhiên Thơng thường hidrocacbon điều chế phịng thí nghiệm, thu lượng lớn phương pháp chưng cất than đá, dầu mỏ… Đóng vịng dehiro hóa ankane Các ankane tham gia đóng vịng dehidro hóa tạo thành hidro cacbon thơm nhiệt độ cao có mặt xúc tác Cr2O3, hay lim loại chuyển tiếp Pd, Pt Cr O / Al O CH3(CH2)4CH3 C6H6 Dehidro hóa cycloankane Các cycloankane bị dehidro hóa nhiệt độ cao với có mặt xúc tác kim loại chuyển tiếp tạo thành benzen hay dẫn xuất cảu benzen Pt / Pd C6H12 C6H6 Đi từ acetylen Đun acetane có mặt cảu xúc tác than hoạt tính hay phức niken Ni(CO)[(C6H5)P] thu benzen 3C2H2 xt C6H6 Từ benzen ta điều chế dẫn xuất benzen toluen phản ứng Friedel-Crafts (phản ứng ankyl hóa benzen dẫn xuất ankyl halide với có mặt cảu xúc tác AlCl3 khan 3 Trang C6H6 + CH3- Cl AlCl C6H5-CH3 Công nghệ chưng cất hỗn hợp Benzen –Toluen : Ta có Benzen chất lỏng tan Toluen nhiệt độ sôi Benzen ( 80,2 0C ôû 760 mmHg) vaø Toluen ( 110,6 0C ôû 760 mmHg) cách xa Trong trường hợp ta sử dụng phương pháp cô đặc cấu tử có khả bay hơi, không sử dụng phương pháp trích ly hấp thụ phải đưa vào pha để tách chúng, làm cho trình phức tạp hơn, hay trình tách không hoàn toàn Chọn loại tháp chưng cất phương pháp chưng cất : Chưng cất trình phân tách hỗn hợp lỏng thành cấu tử riêng biệt dựa vào khác độ bay chúng ( hay nhiệt độ sôi ), cách lặp lặp lại nhiều lần trình bay – ngưng tụ, vật chất từ pha lỏng vào pha ngược lại Đối với chưng cất ta có hai phương pháp thực : Chưng cất đơn giản (dùng thiết bị hoạt động theo chu kỳ): Phương pháp sử dụng trường hợp sau : + Khi nhiệt độ sôi cấu tử khác xa + Khi không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao + Tách hỗn hợp lỏng khỏi tạp chất không bay + Tách sơ hỗn hợp nhiều cấu tử Chưng cất liên tục hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục): trình thực liên tục, nghịch dòng, nhiều đoạn Ngoài có thiết bị hoạt động bán liên tục Trong trường hợp này, sản phẩm Benzen – với yêu cầu có độ tinh khiết cao sử dụng, cộng với hỗn hợp Benzen – Toluen hỗn hợp điểm đẳng phí nên chọn phương pháp chưng cất liên tục hiệu Chọn loại tháp chưng cất : Có nhiều loại tháp sử dụng, có chung yêu cầu diện tích bề mặt tiếp xúc Trang pha phải lớn, điều phụ thuộc vào độ phân tán lưu chất vào lưu chất Ta khảo sát hai loại tháp chưng cất thường dùng tháp mâm tháp chêm: - Tháp mâm gồm thân tháp hình trụ, thẳng đứng, phía có gắn mâm có cấu tạo khác nhau, pha lỏng pha cho tiếp xúc với Gồm có : mâm chóp, mâm xuyên lỗ , mâm van Thường sử dụng mâm chóp - Tháp chêm tháp hình trụ, gồm nhiều đoạn nối với mặt bích hay hàn Vật chêm đổ đầy tháp theo hay hai phương pháp : xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự Chọn loại tháp đệm để thực trình chưng cất ưu điểm sau: Điều kiện tiến hành trình : Tải trọng tháp theo dòng dòng lỏng; khác tính chất vật lý hệ xét; có mặt tạp chất có dòng lỏng; bề mặt tiếp xúc pha moat đơn vị thể tích tháp,v.v Các yêu cầu cụ thể đối trinh công nghệ: đảm bảo trở lực tháp nhỏ; đảm bảo khoảng làm việc ổn định rộng; đảm bảo thời gian lưu nhỏ Các yêu cầu cụ thể kết cấu tháp: dễ dàng cho chế tạo đơn hàng loạt tháp có suất riêng lớn; chịu môi trường ăn mòn; tháp có độ tin cậy cao Chọn áp suất chưng: - Chưng áp suất chưng khác nhau: áp suất thường, áp suất thấp, áp suất cao - Chưng áp suất thấp thường dùng cho hỗn hợp dễ bị phân hủy nhiệt độ cao tinh dầu, vitamin…, nhiệt độ sôi cao: cặn dầu mazut dầu mỏ… - Chưng áp suất cao tiến hành hỗn khơng hóa lỏng nhiệt độ thường, ví dụ sản xuất O2 N2 từ khồng khí… - Chưng áp suất thường hay sử ụng đơn giản Do hệ Benzen-Toluen có nhiệt độ sơi vừa phải, nhiệt độ thường chất lỏng nên ta chọn áp suất chưng cất hệ Benzen-Toluen áp suất thường (P=760 mmHg) Năng lượng sử dụng nước bão hòa Sơ đồ qui trình công nghệ thuyết minh qui trình công nghệ : Trang a Sơ đồ qui trình công nghệ (xem trang sau) Trang Trang Chú thích : Bồn chứa nguyên liệu Bơm Bồn cao vị Áp kế Nhiệt kế Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh Bộ phận chỉnh dòng Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh Lưu lượng kế 10 Van 11 Tháp chưng cất 12 Bồn chứa sản phẩm đỉnh 13 Nồi đun 14 Bẩy 15 Đun sôi nhập liệu sản phẩm đáy b Thuyết minh qui trình công nghệ : Hỗn hợp Benzen-Toluen có nồng độ Benzen 32% ( theo khối lượng) , nhiệt độ khoảng 28 0C bình chứa nguyên liệu (1) bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3) Từ đưa đến thiết bị gia nhiệt (15) ( trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy) Ở đây, hỗn hợp đun sôi đến nhiệt độ sôi Sau đó, hỗn hợp đưa vào tháp chưng cất (11) đóa nhập liệu Trên đóa nhập liệu, chất lỏng trộn với phần lỏng từ đoạn cất tháp chảy xuống Trong tháp, từ lên gặp chất lỏng từ xuống Ở đây, có tiếp xúc trao đổi hai pha với Pha lỏng chuyển động phần chưng xuống giảm nồng độ cấu tử dễ bay bị pha tạo nên từ nồi đun (13) lôi cấu tử dễ bay Nhiệt độ lên thấp, nên qua đóa từ lên cấu tử có nhiệt độ sôi cao Benzen ngưng tụ lại, cuối đỉnh tháp ta thu hỗn hợp có cấu tử Benzen chiếm nhiều ( có nồng độ 98% theo khối lượng ) Hơi vào thiết bị ngưng tụ (6) ngưng tụ hồn tồn Một phần chất lỏng ngưng qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (8), làm nguội đến 30 0C , đưa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh (12) Phần lại chất lỏng ngưng hồi lưu tháp đóa với tỷ số hoàn lưu tối ưu Một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp bốc hơi, lại cấu tử có nhiệt độ sôi cao chất Trang lỏng ngày tăng Cuối cùng, đáy tháp ta thu hỗn hợp lỏng gồm hầu hết cấu tử khó bay ( Toluen) Hỗn hợp lỏng đáy có nồng độ Benzen 1.5% theo khối lượng, lại Toluen Dung dịch lỏng đáy khỏi tháp, phần đun, bốc nồi đun (13) cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần lại trao đổi nhiệt với nhập liệu ( sau qua bồn cao vị ) Hệ thống làm việc liên tục cho sản phẩm đỉnh Benzen, sản phẩm đáy sau trao đổi nhiệt với nhập liệu thải bỏ Trang CHƯƠNG CÂN BẰNG VẬT CHẤT CÂN BẰNG NĂNG LƯNG Trang Cân vật chất Các số liệu ban đầu : Năng suất nhập liệu:12.000 ( Kg/h ) Nhập liệu có nồng độ Benzen : 32% theo khối lượng Sản phẩm đỉnh có nồng độ Benzen : 98% theo khối lượng Sản phẩm đáy có nồng độ Benzen : 1.5% theo khối lượng Năng lượng sử dụng : nước bão hịa(2at) Thiết bị hoạt động liên tục, áp suất thường 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 Benzen nhập liệu xD : nồng độ mol Benzen sản phẩm đỉnh xW : nồng độ mol Benzen sản phẩm đáy M1:khối lượng phân tử Benzen, M1=78 M2:khối lượng phân tử Toluen, M2=92 Phương trình cân vật chất cho toàn tháp chưng cất : F D W F * xF D * xD W * xw Chuyển từ phần khối lượng sang phaàn mol: xF M1 x F (1 x F ) M2 xF = M = 0,32 78 0,32 (1 0,32) 78 92 = 0,357 (phaàn mol Benzen ) xD M1 D x x D (1 x D ) M M2 = = 0,98 78 0,98 (1 0,98) 78 92 = 0,983 (phaàn mol Benzen) Trang 10 xw M1 xW 0, 015 78 x w (1 x w ) 0, 015 (1 0, 015) M2 92 = M1 = 78 = 0,018(phần mol Benzen) Tính Mtb : Mtb F = xF M1 + (1- xF ) M2 = 0,357 78 + (1 – 0,357) 92 = 87,00 (Kg/Kmol) Mtb D = xD M1 + (1- xD ) M2 = 0,983.78 + (1 – 0,983) 92 = 78,24 (Kg/Kmol) Mtb W = xW M1 + (1- xW ) M2 = 0,018.78 + (1 – 0,018) 92 = 91,75 (Kg/Kmol) Suất lượng nhập liệu : F= F 12000 = = 137,93 ( Kmol/h ) M tbF 87, 00 Ta có hệ phương trình : F D W F xF D.xD W.xW 12000 D W 12000.0,357 D.0,983 W.0, 018 D 3792, 75( Kg / h) W 8207, 25( Kg / h) hay D 1, 054( Kg / s ) W 2, 279( Kg / s ) Nhập liệu F Sản phẩm đỉnh D Sản phẩm đáy W Kg/h 12000 3792,75 x (mol) 0,357 0,983 8207,25 0,018 Trang 11 1.1 Đồ thị cân Benzen – Toluen : Thành phần cân lỏng (x), (y) tính %mol độ sôi hỗn hợp hai cấu tử 760 mmHg ( Benzen – nước ): nhiệt x y t 0 10 11,8 21,4 20 38 110, 108, 106, 102, 30 51, 98, 40 61, 95, 50 71, 92, 60 79 89, 70 85, 86, 80 91 84, Hình 2: Đồ thị y-x Benzen-Toluen Trang 12 90 95, 82, 100 100 80, Hình 3: Đồ thị t-x,y Benzen-Toluen 1.2 Xác định số hồi lưu thích hợp : a Chỉ số hồi lưu tối thiểu : Do nhập liệu trạng thái lỏng bão hòa, nên R xác định sau: Rmin x D y *F = * y F xF * xF = 0,357 y F = 0,566 ( Xác định từ đường cân ) Rmin = 0,983 0, 566 =1,995 0,566 0,357 b Chỉ số hồi lưu thích hợp : Tính Rth theo giá trị cực tiểu đại lượng N ( R 1) đại lượng tỉ lệ thuận với thể tích tháp chưng( N số đóa lý thuyết tháp chưng) R * Rmin ; Hệ số hiệu chỉnh Ta có bảng sau : R N 1,07 2,13 20 1,36 2,71 15 1,74 3,47 13 2,33 4,65 12 3,3 6,58 11 5,26 10,49 10 Trang 13 N(R+1) 62,6 55,65 58,11 67,8 83,38 114,9 Chỉ số hồi lưu thích hợp Vậy số hồi lưu Rth = 2,71 1.3 Vẽ đường làm việc : Phương trình đường làm việc đoạn cất: y= Rth xD x+ Rth Rx y = 0.736*x + 0.259 Phương trình đường làm việc đoạn chưng: Rth f f 1 xx Rth Rth w xD xW Với f = =2.85 xF xw y= y = 1.488*x –0.0023 1.4 Xác định số mâm lý thuyết số mâm thực tế : Do điều kiện nhập liệu lỏng sơi, ta có đường nhập liệu đường : x = xF = 0.357 Kẻ đường làm việc phần cất phần chưng đồ thị số bậc thang 15.07 , tương ứng với số mâm lý thuyết 15 ( kể nồi đun ) Trang 14 1.5 Lưu lượng dòng pha tháp Lưu lượng khối lượng trung bình lỏng cho đoạn luyện đoạn chưng tháp đệm Công thức tính lưu lượng dòng lỏng: ML (dòng lỏng cho đoạn luyện) MD M LC D.R C (dòng lỏng cho đoạn chưng) MD M GL D.( R 1) L (doøng cho đoạn luyện) MD M GC D.( R 1) C (dòng cho đoạn chưng) MD Trong đó: M D - Khối lượng mol sản phẩm đỉnh M L , M C -Khối lượng mol trung bình lỏng có LL D.R đoạn luyện đoạn chưng tháp Khối lượng mol sản phẩm đỉnh,của lỏng đoạn luyện đoạn chưng tính sau: M D M B xD M T (1 xD ) (sản phẩm đỉnh) M L M B xTBL M T (1 xTBL ) (đoạn luyện) Trang 15 M C M B xTBC M T (1 xTBC ) (đoạn chưng) Trong : M B , M T - Khối lượng mol benzene toluene xTBL , xTBC - Phần mol trung bình cho đoạn luyện đoạn chöng xD xF 0,983 0,357 0, 67 2 x xF 0, 018 0,357 xTBC W 0,188 2 M D 78.0,983 92.(1 0,983) 78, 238 Neân: M L 78.0, 67 92.(1 0, 67) 82, 62 M 78.0,188 92.(1 0,188) 89,368 C xTBL Thế vào phương trình tính lượng lỏng,lượng ta được: 82, 62 3, 016( kg / s ) 78, 238 89,368 LC 1, 054.2, 71 3, 263( kg / s ) 78, 238 82, 62 GL 1, 054.(2, 71 1) 4,129( kg / s) 78, 238 89,368 GC 1, 054.(2, 71 1) 4, 667( kg / s) 78, 238 LL 1, 054.2, 71 1.6 Vận tốc đường kính tháp Đối với tháp đệm làm việc chế độ màng áp suất khí thường chọn tốc độ làm việc khoảng (80-90%) vận tốc sặc.Vận tốc sặc (thời điểm bắt đầu) tính theo công thức thực nghiệm: 0,125 0,25 ws2 a. y x0,16 y L log 0,125 1, 75 g x G x Trong : x , y - Khối lượng riêng trung bình lỏng,kg/m3 x - Độ nhớt chất lỏng, mPa.s a - Bề mặt riêng lớp đệm m2/m3 - Thể tích tự lớp đệm m3/m3 g - Gia tốc trọng trường m/s2 L, G - Lượng lỏng lượng trung bình kg/s Chọn vòng đệm xứ Rasching xếp ngẫu nhiên (25x25x3) : a 195( m / m3 ) 3 0, 75(m / m ) Trang 16 Vì tỷ số L/G tính chất vật lý pha đoạn luyện đoạn chưng tháp khác nhau,nên vận tốc sặc ws cho đoạn luyện đoạn chưng khác Các thông số vật lý tính cho đoạn luyện đoạn chưng : - Nhiệt độ trung bình lỏng phần luyện phần chưng xác định vào giản đồ Txy hỗn hợp benzene toluene: xF xD 0,357 0,983 0, 67 2 yTBL 0, 752 xTBL t xL 87 o C , t yL 91o C xF xW 0,357 0, 018 0,188 2 yTBC 0, 277 xTBC t xC 103o C , t yC 105o C - Khối lượng riêng trung bình lỏng đoạn luyện đoạn chưng: Hơi: yL M L T0 22, 4.(T0 t yL ) yC M L T0 22, 4.(T0 t yC ) Tính : 82, 62.273 yL 22, 4.(273 91) 2, 766kg / m 89,368.273 2,882kg / m3 yC 22, 4.(273 105) Loûng: xTB1 xTB1 xTB xTB1 xTB Trong đó: xTB - Khối lượng riêng trung bình loûng,kg/m3 xTB1 , xTB - Khối lượng riêng trung bình cấu tử pha lỏng lấy theo nhiệt độ trung bình,kg/m3 xTB1 - Phần khối lượng cấu tử pha loûng B 807,3( kg / m3 ) O tTBL 87 C T 801(kg / m ) Trang 17 xTBL 0, 67( phanmol ) xTBL 0, 633( phankhoiluong ) 0, 633 0, 633 807,3 801 xL 804,976(kg / m3 ) xL tTBC B 789, 4(kg / m3 ) 103 C T 784, 7(kg / m ) O xTBC 0,188( phanmol ) xTBC 0,164( phankhoiluong ) 0,164 0,164 789, 784, xC 785, 467(kg / m3 ) xC - - Tính độ nhớt hỗn hợp lỏng theo phần luyện phần chưng: Độ nhớt hỗn hơp lỏng tính theo công thức : lg x xTB lg B (1 xTB ).lg T Với B , T - Độ nhớt benzene toluen nhiệt độ trung bình 0, 281(Cp) tTBL 87O C B T 0,3022(Cp) lg xL xTBL lg B (1 xTBL ).lg T lg xL 0, 67.lg 0, 281 (1 0, 67).lg 0,3022 xL 0, 288(Cp) 0, 216(Cp ) tTBC 103O C B T 0, 265(Cp ) lg xc xTBc lg B (1 xTBc ).lg T lg xc 0,188.lg 0, 216 (1 0,188).lg 0, 265 xc 0, 255(Cp) Tỷ số L/G đoạn luyện đoạn chưng là: LL G 0, 73 L LC 1, 498 GC Thay tất số liệu vào phương trình tính vận tốc sặc ta có: - Phần luyện: 0,125 0,25 0,16 wsL2 a. yL xL LL yL log 0,125 1, 75 g xL GL xL Trang 18 0,125 w2 195.2, 766.0, 2880,16 0,25 2, 766 log sL 0,125 1, 75 0, 73 9,81.0, 75 804,976 804,976 wsL 0,951(m / s) - Phần chưng: 0,25 0,125 0,16 wsC a. yC xC LC yC log 0,125 1, 75 g xC GC xC 0,125 wsC 195.2,882.0, 2550,16 0,25 2,882 log 0,125 1, 75 1, 498 9,81.0, 75 785, 467 785, 467 wsC 0, 769( m / s) Chọn vận tốc làm việc 85%ws ta tính được: wL 0,85.wsL 0,808(m / s ) wC 0,85.wsC 0, 654(m / s ) Đường kính tháp tính theo phương trình: D 4G w. Với: G – Lưu lượng khí đoạn luyện đoạn chưng,kg/s w- vận tốc sặc,m/s - khối lượng riêng pha hơi,kg/m3 - Phần luyện: DL - 4GL 4.4,129 1,534m wL yL 3,14.0,808.2, 766 Phần chưng: DC 4GC 4.4, 667 1, 776m wC yC 3,14.0, 654.2,882 Dựa vào đường kính đoạn luyện đoạn chưng vừa tính trên: Ta coù: DL DC 1,8m Trang 19 ... chảy:5.5oc Toluen: hợp chất mạch vịng,ở dạng lỏng có tính thơm ,cơng thức phân tử tương tự benzen có gắn thêm nhóm –CH3.Khơng phân cực,do toluen tan tốt benzen. Toluen có tính chất dung mơi tương tự benzen. .. AlCl C6H5-CH3 Công nghệ chưng cất hỗn hợp Benzen ? ?Toluen : Ta có Benzen chất lỏng tan Toluen nhiệt độ sôi Benzen ( 80,2 0C ôû 760 mmHg) vaø Toluen ( 110,6 0C ôû 760 mmHg) cách xa Trong trường... Kmol/h ) xF :nồng độ mol Benzen nhập liệu xD : nồng độ mol Benzen sản phẩm đỉnh xW : nồng độ mol Benzen sản phẩm đáy M1:khối lượng phân tử Benzen, M1=78 M2:khối lượng phân tử Toluen, M2=92 Phương