Thiết kế hệ thống chưng cất benzen tuluen bằng tháp chóp

Thiết kế hệ thống chưng cất benzen tuluen bằng tháp chóp

r BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc Thành phô" Hồ Chí Minh Khoa: Công nghệ Hóa & Thực phẩm Bộ môn: Quá trình và Thiết bị ĐO AN MÔN HỌC: ĐỒ ÁN MÔN HỌC QT&TB. MÃ số: 605040 Họ và tên sinh viên: Vũ Tiến Dũng Lớp: HC06MB Ngành (nếu có): Máy & Thiết BỊ Đầu đề đồ án: Thiết kế tháp mâm chóp chưng cất hỗn hợp Benzen - Toluen có năng suất 200 1/h tính theo sản phẩm đỉnh Nhiệm vụ (nội dung yêu cầu và sô" liệu ban đầu): Nồng độ nhập liệu: *F = 40%phần khôi lượng Nồng độ sản phẩm đỉnh: Ã'D = 98% phần khôi lượng Nồng độ sản phẩm đáy: *w = 1 % phần khôi lượng Nguồn năng lượng và các thông sô" khác tự chọn Nội dung các phần thuyết minh và tính toán: Xem ở phần mục lục Các bản vẽ và đồ thị (loại và kích thước bản vẽ): Gồm 2 bản vẽ AI: bản vẽ quy trình công nghệ và bản vẽ chi tiết thiết bị Ngày giao đồ án: 6/10/2009 Ngày hoàn thành đồ án: 18/01/2010 Ngày bảo vệ hay chấm: 25/01/2010 Ngày 6 tháng 10 năm 2009 NGƯỜI HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ tên) ĐAMH Quá trình & Thiêt bị GVHD : Phan Đình Tuấn Trang 1 1 . 2 . 3 . 4 . 5 CHỦ NHIỆM BỘ MÔN (Ký và ghi rõ họ tên) NHẬN XỂT ĐỒ ÁN Cán bộ hướng dẫn. Nhận xét:____________________________________________________ Điểm:__________________ Chữ ký: Cán bộ chấm hay Hội đồng bảo vệ. Nhận xét:________________ Điểm:__________________ Chữ ký: Điểm tổng kết: LỜI MỞ ĐẦU Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển đóng góp to lớn cho nền công nghiệp nước ta nói riêng và thế giới nói chung. Một trong những ngành có đóng góp vô cùng to lớn đó là ngành công nghiệp hoá học, đặc biệt là ngành sản xuất các hoá chất cơ bản. Hiện nay, các ngành công nghiệp cần sử dụng rất nhiều hoá chất có độ tinh khiết cao. Nhu cầu này đặt ra cho các nhà sản xuất hoá chất sử dụng nhiều phương pháp để nâng cao độ tinh khiết của sản phẩm như : trích ly, chưng cất, cô đặc, hấp thu Tuỳ theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có sự lựa chọn phương pháp cho phù hợp. Đối với hệ benzen - toluen là hệ 2 cấu tử tan lẫn vào nhau, ta chọn phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho benzen. Đồ án môn học Quá trình & Thiết bị là một môn học mang tính tống hợp trong quá trình học tập của các kỹ sư Công nghệ Hoá học tương lai. Môn học này giúp sinh viên có thể tính toán cụ thể : quy trình công nghệ, kết cấu, giá thành của một thiết bị trong sản xuất hoá chất - thực phẩm. Đây là lần đầu tiên sinh viên được vận dụng các kiến thức đã học để giải quyết các vấn đề kỹ thuật thực tế một cách tổng họp. Nhiệm vụ của đồ án là thiết kế tháp mâm chóp đế chưng cất hỗn họp Benzen - Toluen ở áp suất thưởng với năng suất theo sản phẩm đỉnh(Benzene) là 200 lít/h có nổng độ 98% phần khối lượng benzen, nồng độ sản phẩm đáy là 99% khối lượng Toluene,Nồng độ nhập liệu là 40% khối lượng Benzene, nhập liệu ở trạng thái lỏng sôi. мат лат • • I. Kết luận 54 Tài liệu tham khảo 54 CỉmơngJ_i TỔNG QUAN I. LÝ THUYẾT VÈ CHƯNG CẮT : 1. Khái niêm ĩ - Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của hỗn hợp lỏng cũng như hỗn họp khí lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp (nghĩa là khi ở cùng nhiệt độ, áp suất hơi bão hoà của các cấu tử khác nhau). - Thay vì đưa vào trong hỗn hợp một pha mới đế tạo nên sự tiếp xúc giữa hai pha như trong quá trình hấp thu hoặc nhả khí, trong quá trình chưng cất pha mới được tạo nên bằng sự bốc hơi hoặc ngưng tụ. - Chưng cất và cô đặc khá giống nhau, tuy nhiên sự khác nhau căn bản nhất của 2 quá trình này là trong quá trình chưng cất dung môi và chất tan đều bay hơi (nghĩa là các cấu tử đều hiện diện trong cả hai pha nhưng với tỷ lệ khác nhau), còn trong quá trình cô đặc thì chỉ có dung môi bay hơi còn chất tan không bay hơi. - Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu được bấy nhiêu sản pham. Neu xét hệ đơn giản chỉ có 2 cấu tử thì ta sẽ thu được 2 sản phấm : " Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt độ sôi nhỏ) " Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi nhỏ (nhiệt độ sôi lớn) - Đối với hệ Benzen - Toluen " Sản phấm đỉnh chủ yếu gồm benzen và một ít toluen. " Sản phấm đáy chủ yếu là toluen và một ít benzen. 2. Phương pháp chưng cất ĩ Các phương pháp chưng cất được phân loại theo : - Áp suất làm việc : ■ Áp suất thấp " Áp suất thường " Áp suất cao > Nguyên tắc làm việc : dựa vào nhiệt độ sôi của các cấu tử, nếu nhiệt độ sôi của các cấu tử quá cao thì ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi của các cấu tử. - Nguyên lí làm việc : " Chưng một bậc " Chưng lôi cuốn theo hơi nước " Chưng cất - Cấp nhiệt ở đáy tháp : " Cấp nhiệt trực tiếp " Cấp nhiệt gián tiếp Vậy : Đối với hệ Benzen - Toluen, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục ở áp suất thường. 3. Thiết bi chung cất: Trong sản xuất, người ta thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau đế tiến hành chưng cất. Tuy nhiên, yêu cầu cơ bản chung của các thiết bị vẫn giống nhau nghĩa là diện tích tiếp xúc pha phải lớn. Điều này phụ thuộc vào mức độphân tán củamột lưu chất này vào lưu chất kia. Neu pha khí phân tán vào pha lỏng ta có các loại tháp mâm, nếupha 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, thắng đứng phía trong có gắn các mâm có cấu tạo khác nhau, trên đó pha lỏng và pha hơi đượ cho tiếp xúc với nhau. Tuỳ theo cấu tạo của đĩa, ta có : - Tháp mâm chóp : trên mâm bố trí có chóp dạng tròn, xupap, - 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 sau : xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự. Vậy :qua phân tích trên ta sử dụng tháp mâm chóp để chưng cất hệ Benzen - Toluen. II. GĨỚI THIÊU VÈ NGUYÊN LIÊU : 1. Benzen & Toluen : Benzen: là một hợp chất mạch vòng, ở dạng lỏng khồng màu và có mùi thơm nhẹ.Công thức phận tử là CöHö. Benzen không phân cực,vì vậy tan tốt trong các dung môi hữu cơ không phân cực và tan rất ít trong nước. Trước đây người ta thường sử dụng benzen làm dung mồi. Tuy nhiên sau đó người ta phát hiện ra rằng nồn^ độ benzen trong không khí chỉ cần thấp khoảng lppm cũng có khả năng gây ra bệnh bạch cầu, nên ngày nay benzen được sử dụng hạn chế hơn So sánh ưu nhươc điêm của các loai t láp : Tháp chêm Tháp mâm xuyên lỗ Tháp chóp Ưu điểm - Câu tạo khá đơn giản. - Trở lực thấp. - Làm việc được với chất lỏng bẩn nếu dùng đệm cầu có p « p của chất lỏng. - Trở lực tương đôi thâp. - Hiệu suất khá cao. - Khá ổn định. - Hiệu suất cao. Nhược điểm - Do có hiệu ứng thành —» hiệu suất truyền khối thấp. - Độ ôn định không cao, khó vận hành. - Do có hiệu ứng thành —» khi tăng năng suất thì hiệu ứng thành tăng —» khó tăng năng suất. - Thiết bị khá nặng nề. - Không làm việc được với chất lỏng bẩn. - Ket cấu khá phức tạp. - Có trở lực lớn. r \ rn • /V 1 A 1 * A - Tiêu tôn nhiêu vật tư, kết cấu phức tạp. Các tính chất vât lí của benzen : o Khối lượng phân tử: 78,11 o Tỉ trọng’(20°C): 0,879 o Nhiệt độ sôi: 80°c o Nhiệt độ nóng chảy: 5,5°c Toluen: là một hợp chất mạch vòng,ở dạng lỏng và có tính thơm ,công thức phân tử tương tự’ như benzen có gắn thêm nhóm -CH3. Không phân cực,do đó toluen tan tốt trong benzen.Toluen có tính chất dung môi tương tự benzen nhưng độc tính thấp hơn nhiều, nên ngày nay thường được sử dụng thay benzen làm dung môi trong phòng thí nghiệm và trong công nghiệp. Các tính chất vât lí của toluen: o Khối lượng phân tử : 92,13 o Tỉ trọng (20°C): 0,866 o Nhiệt độ sôi: 111 c o Nhiệt độ nóng chảy : -95 °c Các phương thức điều chế : o Đi từ nguồn thiên nhiên Thông thường các hidrocacbon ít được điều chế trong phòng thí nghiệm, vì có thể thu được lượng lớn nó bằng phương pháp chưng cất than đá, dầu mở o Đóng vòng và dehiro hóa ankane o Các ankane có thế tham gia đóng vòng và dehidro hóa tạo thành hidro cacbon thơm ở nhiệt độ cao và có mặt xúc tác như Cr2Ơ3, hay các lim loại chuyển tiếp như Pd, Pt CH 3 (CH 2 ) 4 CH3 > C 6 H6 o Dehidro hóa các cycloankane Các cycloankane có thể bị dehidro hóa ở nhiệt độ cao với sự có mặt của các xúc tác kim loại chuyến tiếp tạo thành benzen hay các dẫn xuất cảu benzen C 6 Hi2 *iĩi > C 6 H 6 o Đi từ acetylen Đun acetane trong sự có mặt cảu của xúc tác là than hoạt tính hay phức của niken như Ni(CO)[(CôH5)P] sẽ thu được benzen 3C2H2 —^ C 6 H 6 _ o Từ benzen ta có thể điều chế được các dẫn xuất của benzen như to lu en bằng phản ứng Friedel-Crafts (phản ứng ankyl hóa benzen bằng các dẫn xuất ankyl halide với sự có mặt cảu xúc tác AICI3 khan C 6 H 6 + CH3- C1 A -Ỉ£h > C 6 H 5 -CH 3 2. Hỗn hoT3 benzen - toluen : Ta có bảng thành phần lỏng (x) - hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Benzen - Toluen ở 760 mmHg.(Tham khảo STT1) CfnwngJLi QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ Hỗn hợp Benzen - Toluen có nồng độ Benzen là 40% (phần khối lượng), nhiệt độ nguyên liệu lúc đầu là 30°c tại bình chứa nguyên liệu (1), được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3) . Dòng nhập liệu được gia nhiệt tới nhiệt độ sôi trong thiết bị truyền nhiệt ống chùm. Sau đó hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất (6) ở đĩa nhập liệu và bắt đầu quá trình chưng cất. Lưu lượng dòng nhập liệu được kiểm soát qua lưu lượng kế (14). Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn luyện của tháp chảy xuống. Trong tháp, hơi đi dưới lên gặp long đi 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 phía dưới càng giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi tạo nên từ nồi đun (10) lôi cuốn cấu tữ dễ bay hơi. Nhiệt độ càng lên X (% phân mol) 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 y (% phân mol) 0 11,8 21,4 38 51,1 61,9 71,2 79 85,4 91 95,9 100 t(°C) 110,6 108,3 106,1 102,2 98,6 95,2 92,1 89,4 86,8 84,4 82,3 80,2 trên càng thấp, nên khi hơi đi qua các đĩa từ dưới lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao là toluen sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử benzen chiếm nhiều nhất (nồng độ 98% phần khối lượng). Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ (7) được ngưng tụ hoàn toàn. Một phần chất lỏng ngưng tụ đi qua thiết bị làm nguội sản phấm đỉnh (8), được làm nguội bằng thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống(8) rồi được đưa qua bồn chứa sản phấm đỉnh (9). Phần còn lại của chất lỏng ngưng tụ được hoàn lưu về tháp ở đĩa trên cùng với tỉ số hoàn lưu thích hợp và được kiếm soát bằng lưu lượng kế(5). Cuối cùng ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng hầu hết là cấu tử khó bay hơi (Toluen). Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độ Toluene là 99% phần khối lượng, còn lại là Benzene. Dung dịch lỏng ở đáy đi ra khỏi tháp vào nồi đun (10). Trong nồi đun dung dịch lỏng một phần sẽ bốc hơi cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại ra khỏi nồi đun được cho qua thiết bị làm nguội sản phấm đáy (13) rồi đi vào thiết bị làm nguội sản phẩm đáy(13) sau đó vào bồn chứa sản phấm đáy(12). Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phấm đinh là Benzen, sản phấm đáy là Toluen r C h ư ơ n g 3 : C Â N B Ằ N G V Ả T C H Ấ T I. C Á C T H Ô ĐAMH Quá trình & Thiêt bị GVHD : Phan Đình Tuân Trang 10 [...]... (4-1) Vậy kết luận: bề dày thân tháp s = 4mm, đường kính ngoài tháp D n = 500 + 2.4 =508 mm ỊL V Tính Toán Chóp : Chọn chóp sử dụng trong tháp là chóp tròn + Đường kính ống hơi: dh = 26 mm + Số chóp V phân bố trên đĩa: n = 10 chóp Chọn số chóp n = 10, với khoảng cách giữa tâm của hai chóp lOOmm + Chiều cao chóp tính từ mặt đĩa đến đỉnh chóp 70mm + Đường kính trong của chóp 46mm V Với: ốch - bề dày chóp, ... mâm Chương 4 : TÍNH TOÁN THÁP CHƯNG CAT • Đường kính tháp chưng cất (Dt) : D, = —^ =0,0188 —^ -] Ị 71.3600.(0tb ]Ị (py.cay)lb (m) Vtb :lượng hơi trung bình đi trong tháp m3/h C0tb :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 Trang... năng ăn mòn của benzen đốì với thiết bị, ta chọn thiết bị thân thiết bị là thép không gỉ mã X18H10T Thân tháp được ghép với nhau bằng mối ghép bích Vì tháp làm việc với nhiệt độ lớn hơn 100°c nên cần phải bọc cách nhiệt cho tháp > Các thống sô" cẩn tra và chon phuc vu cho quá trình tính toán: ■ N h i ê t đ ô t í n h t o á n : t = tmax + 20 = 110 + 20 = 130°c ■ Áp suất tính toán : V Vì tháp hoạt động... bề dày đĩa Vậy kết luận chiều cao tháp H = 7,5 m V II Trỏ’ lưc của tháp chóp : V Trở lực của tháp chóp bao gồm: tổn thất áp suất khi dòng khí đi qua đĩakhô,tổn thất V do sức căng bề mặt, ton thất thất do lớp chất long trên đĩa và bỏ qua sự biến đối chiều V V cao lớp chất lỏng trên đĩa Trở lực của tháp chóp được xác định the công thức: V AP = NrrAPd,N/m2 Trong đó Ntt - số đĩa thực tế của tháp; APd - tổng... việc của tháp bao gồm đường làm việc phần cất và phần chưng Trên đồ thị y-x ta lần lượt vẽ các đường bậc thang từ đó xác định được sô" đĩa lý thuyết là 14.56 đĩa, ta lấy tròn 15 Từ đồ thị, ta có : 15 đĩa bao gồm : |ỗ mâm cất ■ị 1 mâm nhập liệu 6 mâm chưng (5 mâm chưng + 1 nồi đun) Tóm lại, sô" đĩa lý thuyết là Nu = 15 mâm V XÁC ĐINH SỐ MÂM THƯC TỂ: CÓ nhiều phương pháp xác định số mâm thực của tháp, ngoại... APk: V p y w 2 0 V 2 Trong ệ- hệ số trở lực, thường chọn ệ = 4,5 5(ở đây ta chọn ệ = 5); pv V khối lượng riêng của pha hơi, kg/m3; wo - tốc độ khí qua rãnh chóp, m/s V Với khối lượng riêng pha hơi đi trong toàn tháp: V ~ _ 2,752 + 2,96 3 V py =- - - = 2,856kg / m V Vận tốc khí trung bình đi qua một rãnh của chóp( phần tính toán chóp ta chọn một đĩa 10 chóp, một chóp 10 rãnh), vậy: 1, 369 + 0.339... Tuấn NHIÊT LƯƠNG CUNG CẮP CHO ĐẢY THÁP : V V V V Từ cân bằng nhiệt lượng ta có: QT = Qnt + Qw + QD - QF +Qr 1,05.(61,42+ 11,86 + 5,13- 16,2 ) = 65,32 kw Qf: là lượng nhiệt tôn thất, ta lấy khoảng 5% tông lượng nhiệt có ích cung cấp cho đáy tháp CHƯƠNG 6: V TÍNH TOÁN Cơ KHÍ I THẰN THẢP : 1 Bề dày thân : Vì thiết bị hoạt động ở áp suất thường nên ta thiết kế thân hình trụ bằng phương pháp hàn hồ quang điện,... V U3 =0,419m Trang 25 Tốc đô hơi trung bình đi trong đoan cất: w = ———— - = Py 2,752 =0,483m/s I Đường kính đoan chưng : 1 Lương hơi trung bình đi trong tháp ở đoan chưng : _ &n£ 1 1 /u g* =—— - ;kg/h g’n: lượng hơi ra khỏi đoạn chưng ; kg/h g’ 1 : lượng hơi đi vào đoạn chưng ; kg/h • Xác định g’n : g’n = gi = 755,1 kg/h • Xác định g’i: Từ hệ phương trình : G\ =g'i+w G l x\ = g\.y w + W.x w ( I V... suất tính toán bằng với áp suất thủy tĩnh V lớn nhất tác dụng lên đáy tháp Điều kiện nguy hiếm nhất chọn đếtính toán đó là tháp V chứa đầy Toluene ở nhiệt độ 30°c khi đó khối lượng riêng của Toluene Pt = 856,5 kg/m 3 Nên: p= (Hthân + 2H„ắp).g.pT = (7,5 + 2.0,15).9,81.856,5 = 61328 N/m 2- 0,0613 N/mm ^ Với dung tích tháp nhỏ hơn 30m3 ta chọn theo bảng 1.1 trlO- Tính toán thiết kế chi tiết thiết bị hóa... Benzen : 1'BI = 383,1 kJ/kg Ẩn nhiệt hoá hơi của Toluen : ĨT1 = 371,3 kJ/kg ri = rBi.yi+ (l-yi).rri = 378,9 kJ/kg * w = 240,6 kg/h Giải hệ (IV.2) , ta được : [ x’i = 0,0135 (phân mol) G 1 = 1030,3 kg/h g’i=789,7kg/h \T* ’ - 789,7 H-755,1 _ _-7-7-, /I ! /u _ Vậy : g tb = = 772,4 kg/h 2 Tốc đỏ hơi trung bình đi trong tháp ỏ’ đoạn chưng: Vận tốc hơi đi trong tháp ở đoạn chưng: Lơi đi trong tháp . của đồ án là thiết kế tháp mâm chóp đế chưng cất hỗn họp Benzen - Toluen ở áp suất thưởng với năng suất theo sản phẩm đỉnh(Benzene) là 200 lít/h có nổng độ 98% phần khối lượng benzen, nồng. với hệ Benzen - Toluen " Sản phấm đỉnh chủ yếu gồm benzen và một ít toluen. " Sản phấm đáy chủ yếu là toluen và một ít benzen. 2. Phương pháp chưng cất ĩ Các phương pháp chưng cất được. : - Tháp mâm chóp : trên mâm bố trí có chóp dạng tròn, xupap, - 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