Đề tài tính toán và thiết kế hệ thống chưng luyện liên tục hỗn hợp benzene – toluen bằng tháp đệm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA HĨA – BỘ MƠN CƠNG NGHỆ HỐ HỌC – DẦU VÀ KHÍ -□□&□□ - HỌC PHẦN PBL2 QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ CƠNG NGHỆ HĨA HỌC ĐỀ TÀI TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG LUYỆN LIÊN TỤC HỖN HỢP BENZENE – TOLUEN BẰNG THÁP ĐỆM Nhóm học phần: 20H5 Nhóm sinh viên thực hiện: Hồng Minh Tân Nguyễn Lê Anh Kiệt Trần Nguyễn Trường Giang Cao Khánh Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Thị Thanh Xuân PGS TS Trương Hữu Trì Đà Nẵng, tháng năm 2023 Trưởng nhóm Thành viên Thành viên Thành viên LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, bối cảnh kinh tế giới phát triển không ngừng, khoa học kỹ thuật ngày thể vai trò quan trọng lĩnh vực đời sống nói chung kinh tế nói riêng Một ngành có đóng góp vơ to lớn ngành cơng nghiệp hoá học, đặc biệt ngành sản xuất hoá chất Hiện nay, nhiều ngành sản xuất hóa học cần sử dụng nguồn nguyên liệu, hóa chất yêu cầu sản phẩm có độ tinh khiết cao phải phù hợp với quy trình sản xuất Các phương pháp sử dụng để nâng cao độ tinh khiết sản phẩm như: trích ly, chưng cất, đặc, hấp thụ,… Tùy theo đặc tính yêu cầu sản phẩm mà ta có lựa chọn phương pháp thích hợp Đối với hệ Benzen-Toluen hệ cấu tử tan lẫn vào nhau, ta chọn phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho sản phẩm Chưng cất phương pháp dùng để tách hỗn hợp lỏng hỗn hợp khí-lỏng thành cấu tử riêng biệt, dựa vào chênh lệch độ bay khác cấu tử hỗn hợp Khi chưng cất, hỗn hợp đầu có cấu tử ta thu nhiêu cấu tử sản phẩm Theo đề hỗn hợp đầu gồm cấu tử Benzen Toluen nên gọi chưng cất hỗn hợp cấu tử Nhiệm vụ đồ án thiết kế hệ thống chưng cất hỗn hợp Benzen-Toluen với suất nhập liệu 40000 kg/h, nồng độ nhập liệu 35% phần khối lượng (kg Benzen/kg hỗn hợp), độ tinh khiết sản phẩm đỉnh 90% phần khối lượng (kg Benzen/kg hỗn hợp), độ tinh khiết sản phẩm đáy 95% (kg Toluen/kg hỗn hợp) Trang GVHD: TS Nguyễn Thị Thanh Xuân PGS TS Nguyễn Hữu Trì SVTH: Nhóm Lớp: 20H5 Trang GVHD: TS Nguyễn Thị Thanh Xuân PGS TS Nguyễn Hữu Trì SVTH: Nhóm Lớp: 20H5 CAM ĐOAN Chúng tơi xin cam đoan tồn nội dung dự án chúng tơi tìm kiếm tài liệu tham khảo trình bày tài liệu trình bày bên thật Khơng có chép từ đồ án khác, tất tham khảo kế thừa trích dẫn tham chiếu đầy đủ Chúng chịu trách nhiệm từ cam đoan Trang GVHD: TS Nguyễn Thị Thanh Xn PGS TS Nguyễn Hữu Trì SVTH: Nhóm Lớp: 20H5 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .8 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CHƯNG CẤT VÀ HỖN HỢP CHƯNG Lý thuyết chưng cất 1.1 Quá trình chưng cất 1.2 Phương pháp chưng cất .9 1.4 Hệ thống chưng cất 10 1.5 Sơ đồ tổng quát dây chuyền công nghệ 13 Tổng quan hỗn hợp chưng .14 2.1 Benzene 14 2.2 Toluen 16 CHƯƠNG 2: CÂN BẰNG VẬT CHẤT .20 Tính tốn cân vật chất 20 1.1 thông số ban đầu 20 Xác định bậc thay đổi nồng độ .24 2.1 Chỉ số hồi lưu tối thiểu .24 2.2 Chỉ số hồi lưu thích hợp 24 2.3 Xác định phương trình đoạn chưng, đoạn luyện 25 2.4 Xác định bậc thay đổi nồng độ 25 CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG NHIỆT .34 Cân nhiệt lượng cho thiết bị đun sôi hỗn hợp đầu .34 1.1 Nhiệt lượng đốt mang vào 34 1.2 Nhiệt lượng hỗn hợp đầu mang vào 37 1.3 Nhiệt lượng hỗn hợp đầu mang .37 Cân nhiệt lượng tháp chưng luyện 37 2.1 Nhiệt lượng lượng lỏng hồi lưu mang vào 38 Trang GVHD: TS Nguyễn Thị Thanh Xn PGS TS Nguyễn Hữu Trì SVTH: Nhóm Lớp: 20H5 2.2 Nhiệt lượng sản phẩm đáy mang 38 2.3 Nhiệt lượng mang đỉnh tháp 39 2.4 Nhiệt lượng đốt mang vào theo D2 .40 2.5 Nhiệt lượng nước ngưng mang theo D2 40 2.6 Nhiệt lượng mát môi trường theo D2 40 2.7 Tính lượng đốt cần thiết để đun nóng dung dịch đáy tháp D 41 Cân nhiệt lượng thiết bị ngưng tụ 41 Cân nhiệt lượng thiết bị làm lạnh 42 CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN KẾT CẤU CỦA THÁP CHƯNG CẤT 44 Đường kính tháp .44 1.1 Đường kính đoạn luyện 44 1.1.1 Xác định lượng trung bình đoạn luyện .44 1.1.2 Xác định khối lượng riêng trung bình 45 1.1.3 Xác định tốc độ tháp 47 1.2 Đường kính đoạn chưng 49 1.2.1 Xác định lượng trung bình đoạn chưng 49 1.2.2 Xác định khối lượng riêng trung bình 51 1.2.3 Xác định tốc độ trung bình tháp .52 Tính tốn chiều cao tháp chưng cất 54 2.1 Chiều cao đoạn luyện .55 2.2 Chiều cao đoạn chưng 55 2.3 Chiều cao toàn tháp 55 Tính tốn trở lực tháp 56 3.1 Trở lực đoạn luyện .57 3.2 Trở lực đoạn chưng 58 3.3 Trở lực toàn tháp 59 CHƯƠNG 5: TÍNH TỐN CƠ KHÍ CỦA THÁP CHƯNG CẤT 60 Tính đường đường ống dẫn .60 1.1 Đường kính ống dẫn sản phẩm đỉnh .60 1.2 Đường kính ống dẫn hồi lưu sản phẩm đỉnh 61 Trang GVHD: TS Nguyễn Thị Thanh Xuân PGS TS Nguyễn Hữu Trì SVTH: Nhóm Lớp: 20H5 1.3 Đường kính ống dẫn liệu 62 1.4 Đường kính ống dẫn sản phẩm đáy lượng hồi lưu sản phẩm đáy 62 1.5 Đường kính ống dẫn lượng hồi lưu sản phẩm đáy 63 Tính chiều dày thân tháp chưng luyện hình trụ hàn 64 Tính đáy nắp thiết bị 66 Xây dựng lựa chọn đĩa phân phối lỏng, lưới đỡ đệm, mặt bích .67 4.1 Lựa chọn đĩa phân phối lỏng 67 4.2 Lựa chọn lưới đỡ đệm 67 4.3 Lựa chọn mặt bích .68 4.3.1 Lựa chọn mặt bích cho tháp 68 4.3.2 Lựa chọn mặt bích cho đường ống dẫn tháp 68 Tính tốn khối lượng tháp chưng cất 69 Tính tốn tai treo chân đỡ cho tháp chưng cất .71 CHƯƠNG 6: TÍNH TỐN THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT .73 CHƯƠNG 7: TÍNH TỐN CHIỀU CAO THÙNG CAO VỊ VÀ THIẾT BỊ BƠM .80 Thùng cao vị thiết bị bơm 80 1.1 Chiều cao bồn cao vị 80 1.2 Tính tốn chiều cao thùng cao vị so với vị trí nạp liệu 82 1.3 Tính tốn hệ thống bơm 83 1.4.Tính áp suất tồn phần bơm 85 1.5 Tính tốn công suất bơm động điện 87 KẾT LUẬN .89 Tài liệu tham khảo 90 Trang GVHD: TS Nguyễn Thị Thanh Xuân PGS TS Nguyễn Hữu Trì SVTH: Nhóm Lớp: 20H5 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1: Một số loại đĩa thường gặp (Theo Grönmark) 11 Hình 2:Một số loại đệm (Theo VFF GmbH & Co KG) .12 Hình 3: Sơ đồ tổng quát dây chuyền công nghệ 13 Hình 4: Công thức cấu tạo Benzen 14 Hình 5: Công thức cấu tạo Toluen 17 Hình 6: Toán đồ đề xác định độ nhớt chất khí áp suất khí 56 Trang GVHD: TS Nguyễn Thị Thanh Xuân PGS TS Nguyễn Hữu Trì SVTH: Nhóm Lớp: 20H5 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1: Các thông số ban đầu .20 Bảng 2: Dữ liệu ban đầu 20 Bảng 3: Bảng cân vật liệu .21 Bảng 4: Số liệu đường cân Benzen-Toluen 22 Bảng 5: Đồ thị X-Y 22 Bảng 6: Đồ thị T-X-Y .22 Bảng 7: Bậc thay đổi nồng độ với hệ số k = 1,2 25 Bảng 8: Bậc thay đổi nồng độ với hệ số k = 1,4 26 Bảng 9: Bậc thay đổi nồng độ với hệ số k = 1,6 27 Bảng 10: Bậc thay đổi nồng độ với hệ số k = 1,8 28 Bảng 11: Bậc thay đổi nồng độ với hệ số k = 29 Bảng 12: Bậc thay đổi nồng độ với hệ số k = 2,4 30 Bảng 13: Bậc thay đổi nồng độ với hệ số k = 2,5 31 Bảng 14: Bảng tính tốn bậc thay đổi nồng độ 31 Bảng 15: Đồ thị mối quan hệ Rx N(Rx+1) 31 Bảng 16: Bảng nhiệt dung riêng Benzen Toluen theo nhiệt độ [I-171] 34 Bảng 17: Các thông số vật lý nước bão hòa 35 Bảng 18: Nhiệt dung riêng nước nước 0-500° C , Bảng I-154 [I-172] 35 Bảng 19: Nhiệt hóa Benzen Toluen phụ thuộc vào nhiệt độ (kcal/kg) 38 Bảng 20: Bảng nhiệt dung riêng nước (I-173) .41 Bảng 21: 47 Bảng 22: 52 Bảng 23: Khối lượng riêng Benzen Toluen (kg/m3) 61 Bảng 24 63 Trang GVHD: TS Nguyễn Thị Thanh Xuân PGS TS Nguyễn Hữu Trì SVTH: Nhóm Lớp: 20H5 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CHƯNG CẤT VÀ HỖN HỢP CHƯNG Lý thuyết chưng cất 1.1 Quá trình chưng cất Chưng cất phương pháp tách hỗn hợp cấu tử (lỏng/khí) khỏi dựa độ bay khác cấu tử hỗn hợp (nghĩa nhiệt độ áp suất bão hịa cấu tử khác nhau) Trong q trình chưng, pha tạo nên bốc ngưng tụ để tạo nên tiếp xúc pha Trong q trình chưng dung mơi chất tan bay (nghĩa cấu tử diện hai pha với tỷ lệ khác nhau) Tác nhân: Nhiệt Sản phẩm thu từ trình chưng cất gồm - Sản phẩm đỉnh: Cấu tử nhẹ (dễ bay hơi) cấu tử nặng bị theo Sản phẩm đáy: Cấu tử nặng (khó bay hơi) Tùy thuộc yêu cầu trình chưng cất mà độ tinh khiết sản phẩm đỉnh đáy thu khác Đối với hệ Benzen-Tuloen - Sản phẩm đỉnh: Chủ yếu Benzen Toluen Sản phẩm đáy: Chủ yếu Toluen Ứng dụng chưng cất - Trong lĩnh vực lọc hóa dầu Sản xuất Oxy Nitơ Tổng hợp hữu sản xuất metanol, etylen, propylen, butadiene Công nghệ sinh học 1.2 Phương pháp chưng cất Trong sản xuất ta gặp phương pháp chưng cất sau: - - Chưng đơn giản: dùng để tách hỗn hợp gồm có cấu tử có độ bay khác Phương pháp thường dùng để tách sơ làm cấu tử khỏi tạp chất Chưng nước trực tiếp: dùng để tách hỗn hợp gồm chất khó bay tạp chất khơng bay hơi, thường ứng dụng trường hợp chất tách không tan vào nước Trang 10 GVHD: TS Nguyễn Thị Thanh Xn PGS TS Nguyễn Hữu Trì SVTH: Nhóm Lớp: 20H5