Đề tài tính toán và thiết kế hệ thống thiết bị chưng luyện liên tục để phân riêng hỗn hợp hai cấu tử acetone bezene

Trang 1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOAKHOA HỐ------ĐỒ ÁN Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊĐề tài:Tính tốn và thiết kế hệ thống thiết bị chưng luyện liên tụcđể phân riêng hỗn hợp hai cấu tử Acetone - Beze

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA HOÁ

- -ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

Đề tài:

Tính toán và thiết kế hệ thống thiết bị chưng luyện liên tục

để phân riêng hỗn hợp hai cấu tử Acetone - Bezene

Hướng dẫn khoa học : TS NGUYỄN THANH BÌNH Sinh viên thực hiện : NGUYỄN THỊ NGUYỆT ÁNH

Chuyên ngành : Kỹ Thuật Hóa Học Polymer

Khoá học : 2020-2025

Đà Nẵng, tháng 09 năm 2023

LỜI NÓI ĐẦU

Chưng luyện là một trong các quá trình hay dùng để tách hoàn toàn hỗn hợp lỏng đồng nhất gồm các cấu tử có nhiệt độ sôi rất khác nhau, dễ bay hơi có tính chất hòa tan một phần hoặc hòa tan hoàn toàn vào nhau Việc thiết kế hệ thống chưng luyện, với mục đích là tách axeton ra khỏi hỗn hợp axeton-benzen là một trong các nhiệm vụ của kỹ sư ngành kĩ thuật hóa học Vậy thì vì sao việc chưng luyện là cần thiết?

Ngày nay, cùng với sự phát triển vượt bậc của nền công nghiệp thế giới và nước nhà các ngành công nghiệp rất cần nhiều hóa chất có độ tinh khiết cao để phục vụ cho sản xuất và chế tạo ra những sản phẩm tốt nhất và đạt chất lượng cũng như sự an toàn

Việc chưng luyện liên tục hợp chất axeton-benzen là rất cần thiết, nó sẽ tạo ra những chất

có độ tinh khiết cao, đáp ứng được nhu cầu của từng ngành… Khi độ tinh khiết càng cao

thì giúp nâng cao chất lượng của sản phẩm cũng như nâng cao giá trị và phạm vi sử dụng

làm cho giá thành cao

Không những thế, hướng tới mục đích thiết kế quá trình và thiết bị công nghệ trong lĩnh

vực chưng luyện là một trong những mục tiêu mà chúng em hướng tới trong quá trình

học tập của mình

Vì thế đề tài “Thiết kế hệ thống chưng luyện axeton-benzen” của môn “Đồ án quá trình và thiết bị” cũng là một bước giúp cho chúng em tập luyện và chuẩn bị cho việc tính toán, thiết kế quá trình và thiết bị công nghệ trong lĩnh vực này

NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN

Đà Nẵng, ngày tháng năm 2023

MỤC LỤC

Chương 1: Tổng quan về sản phẩm và dây chuyền công nghệ -4

1.1 Tổng quan về sản phẩm Axeton và Benzen 4

1.1.1 Axêtôn: - 4

1.1.2 Benzen: -5

1.2 Giới thiệu về phương pháp chưng, chưng liên tục và việc lựa chọn tháp đệm 7

1.3 Thuyết minh dây chuyền công nghệ 8

1.3.1Sơ đồ công nghệ: -8

1.3.2 Qúa trình làm việc -8

Chương 2 Tính toán công nghệ thiết bị chính -10

2.1 Cân bằng vật liệu và nhiệt lượng 10

2.1.1 Cân bằng vật liệu 10

Chương 1: Tổng quan về sản phẩm và dây chuyền công nghệ

1.1-Tổng quan về sản phẩm Axeton và Benzen

1.1.1-Axêtôn:

-Axeton có công thức phân tử: CH3COCH3 Khối lượng phân tử bằng 58.079đvc

-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…

-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 hồ 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

-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

Một số thông số vật lý và nhiệt động của Acetone :

Nhiệt độ nóng

chảy

riêng Cp

(chuẩn ở

102 0C

0.316 cp ( ở

2500C)

0.5176 cal/g ( ở

200C)

Về mặt hóa học tương tự như andehit, axeton tham gia phản ứng cộng hidro (H2) và natrihidro-sunphit (NaHSO3) nhưng khác ở chỗ không bị oxy hóa bởi dung dịch AgNO3 (không tráng gương) và Cu(OH)2, nhưng có thể bị oxy và cắt sát nhóm “-CO” để chuyển thành hai axit khi tác dụng với chất OXH mạnh

1.1.2- Benzen:

-Benzen(C6H6) có PTK=78 là hợp chất vòng thơm, đó là một chất lỏng không màu, có mùi thơm đặc trưng, nhẹ hơn nước, tan nhiều trong các dung môi hữu cơ đồng thời là một dung môi tốt cho nhiều chất như Iốt, lưu huỳnh (S), chất béo…, t0

s=80,10C ở 1 at, đông đặc ở t0đ =5,50C, tỷ khối

d20

4=0,879, có khối lượng riêng 0,8786 g/cm3 chất lỏng, nóng chảy ở 5,5 độ C

-Về mặt hóa học, Benzen là một hợp chất vòng bền vững, tương đối dễ tham gia phản ứng thế, khó tham gia các phản ứng cộng, oxh…Đặc tính hóa học này gọi là tính thơm

Benzen dễ cháy:

Giống như các hydrocacbon khác, benzen cháy trong oxy để tạo ra CO2 và hơi nước Tuy nhiên, khi benzen cháy trong không khí, ngoài CO2 và hơi nước còn tạo ra muội than.

2C6H6 + 15O2 (nhiệt độ) → 12CO2 + 6H2O

Phản ứng thế với brom (phản ứng thế)

Khi đun nóng hỗn hợp Benzen với Brom, có mặt bột sắt thấy màu nâu đỏ của brom bị mất đi và

có khí hidro bromua bay ra

C6H6(l) + Br2(l) (t, bột Fe) → C6H5Br (chất lỏng không màu) + HBr(k)

Trong phản ứng trên, nguyên tử hidro trong phân tử benzen được thay thế bởi nguyên tử brom

Phản ứng cộng benzene

Benzen không phản ứng với dung dịch Br2, chứng tỏ benzen khó tham gia phản ứng cộng như C2H4 và C2H2 Tuy nhiên ở nhiệt độ và điều kiện xúc tác thích hợp, C6H6 tham gia phản ứng cộng với một số chất, ví dụ như H2,

C6H6 + 3H2 (t, Ni) → C6H12

Điều chế Benzen

Điều chế benzen từ axetilen

Phản ứng trùng hợp axetilen xảy ra khi xúc tác là C và nung ở nhiệt độ 600 độ C

3CH = CH → C6H6

Điều chế benzen từ axit benzoic

C6H5COOH + NaOH → C6H6 + Na2CO3

Điều chế benzen từ chưng cất nhựa than đá

Điều chế từ xiclohexan sử dụng xúc tác Pt và đun nóng

C6H12 → C6H6 + 3H2

Điều chế từ n - hexan xúc tác và đun nóng

C6H14 → C6H6 + 4H2

-Về ứng dụng: dùng điều chế nitro benzene, anilin, tổng hợp phẩm nhuộm, dược phẩm…,

Clobenzen là dung môi tổng hợp DDT, hexancloaran ( thuốc trừ sâu) Stiren ( monome để tổng

hợp chất dẻo) và nhiều sản phẩm quan trọng khác… Benzen còn được dùng làm dung môi -Nguồn cung cấp Benzen cho công nghiệp là nhựa chưng cất, than đá, hexan, toluene của dầu mỏ Khi nung than béo ở nhiệt độ cao để luyện than cốc được nhựa than đá Trong nhựa than

đá có chứa rất nhiều cấc chất hữu cơ khác nhau khi chưng cất phân đoạn thu được Benzen -Cả Axeton và Benzen đều đóng vai trò quan trọng trong công nghiệp hóa học

1.2 Giới thiệu về phương pháp chưng, chưng liên tục và việc lựa chọn tháp đệm

Chưng cất là phương pháp dùng để tách các hỗn hợp lỏng cũng như các hỗn hợp khí – lỏng thành các cấu tử riêng biệt, dựa vào độ bay hơi của các cấu tử trong hợp Chúng ta có thể thực hiện nhiều biện pháp chưng cất khác nhau như chưng cất gián đoạn, chưng cất liên tục,chưng cất đơn giản, chưng cất đặc biệt Khi chưng cất hỗn hợp đầu có bao nhiêu cấu tử thì ta thu bấy nhiêu cấu

tử sản phẩm

Đối với chưng cất ta có hai phương pháp thực hiện:

Chưng cất đơn giản ( dùng thiết bị hoạt động theo chu kỳ)

Phương pháp này sử dụng trong các trường hợp như sau:

Khi nhiệt độ sôi của các cấu tử khác xa nhau

Khi không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao

Tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi

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 nhiều thiết bị hoạt động bán liên tục Chưng luyện:

Là phương pháp tách hỗn hợp chất lỏng cũng như các chất khí đã hoá lỏng thành những cấu tử riêng biệt, tinh khiết bằng cách đun sôi hỗn hợp đầu ở cùng nhiệt độ Dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp thì các cấu tử dễ bay hiw được tách ở đỉnh tháp, cấu tử khó bay hơi được tách ở đáy tháp Chưng luyện được coi là một trong các phương pháp tách quan trọng trong công nghiệp hóa chất.

Chưng luyện ở áp suất thấp dùng cho các hỗn hợp dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao và các hỗn hợp có nhiệt độ sôi quá cao

Chưng luyện ở áp suất cao dùng cho các hỗn hợp không hóa lỏng ở áp suất thường

Thiết bị chưng cất: Giới thiệu tháp chưng cất với hai loại thường dùng là tháp đĩa và tháp đệm Tháp đĩa ( tháp mâm): Thân tháp hình trụ trong có có gắn các đĩa có cấu tạo khác nhau, trên đó pha lỏng và pha hơi được cho tiếp xúc với nhau Tuỳ theo cấu tạo của đĩa, ta có:

-Tháp đĩa chóp: trên đĩa bố trí có chóp dạng tròn, xupap,…

-Tháp đĩa xuyên lỗ: trên đĩa có nhiều lỗ hay rãnh

.Tháp đệm ( tháp chêm): 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 -So sánh ưu nhược điểm của các loại tháp:

giản -Trở lực thấp -Làm việc được với chất lỏng bẩn nếu nếu dùng đệm cầu có

ρ ≈ ρcủa chất lỏng

-Trở lực tương đối thấp

-Hiệu suất khá cao

-Khá ổn định -Hiệu suất cao

thành → hiệu suất truyền khối thấp -Độ ổn 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

-Kết cấu khá phức tạp

-Có trở lực lớn -Tiêu tốn nhiều vật

tư, kết cấu phức tạp

 Vậy qua phân tích trên ta sử dụng tháp đĩa để chưng cất hệ Benzen – Axeton

 Một số lưu ý khi thiết kế tháp chưng cất:

Đường kính tháp phụ thuộc vào lưu lượng của các dòng hơi và dòng lỏng trong tháp.Chiều cao tháp phụ thộc vào số đĩa mà nó có

Tháp chưng cấ luôn đặt trên một bệ cao để tạo điều kiện thuận lợi cho việc lấy sản phẩm đáy Phía trên và quanh tháp có thể có các kết cấu chịu lực( tai treo, bệ đỡ,…)

Ở đỉnh tháp luôn phải có một ống dẫn sản phẩm đỉnh ở trạng thái hơi đi ra khỏi tháp Tiết diện của ống phải như thế nào để tốc độ dòng hơi trong ống thoả mãn yêu cầu

Ở đáy tháp phải có ống dẫn sản phẩm đáy ở trạng thái lỏng ra ngoài, trên thân tháp còn có ống dẫn lượng lỏng hồi lưu từ đỉnh tháp

Trên thân tháp chưng cất phải có những cửa sổ để qua đó con người có thể chui vào tiến hành sửa chữa, làm vệ sinh, lỗ này có đường kính khoảng 60cm

Tháp chưng cần cần được bảo vệ khỏi hiện tượng mài mòn, ăn mòn và cần được cách nhiệt tốt Tháp chưng cất được làm từ thép không gỉ Để cách nhiệt với môi trường xung quanh người ta thường trát lên vỏ kim loại một lớp vật liệu xốp, nhẹ, không cháy và bền cơ học cũng như chịu được sự xâm thực của môi trường như thuỷ tinh bọt, bông thuỷ tinh

1.3 Thuyết minh dây chuyền công nghệ

1.3.1 Sơ đồ công nghệ:

Hệ thống thiết bị công nghệ chưng luyện liên tục tổng quát gồm có:

- (1): Tháp chưng luyện gồm có 2 phần: phần trên gồm từ trên đĩa tiếp liệu trở lên đỉnh gọi là đoạn luyện, phần dưới gồm từ đĩa tiếp liệu trở xuống gọi là đoạn chưng

- (2): Thiết bị đun nóng để đun nóng hỗn hợp đầu Sử dụng thiết bị loại ống chum, dùng hơi nước bão hòa để đun nóng vì nó có hệ số cấp nhiệt lớn, ẩn nhiệt ngưng tụ cao Hơi nước bão hòa đi ngoài ống, lỏng đi trong ống

- (3): Thùng cao vị

- (4): Bộ phận đun bốc hơi đáy tháp, có thể đạt trong hay ngoài tháp Ở đây ta cũng sử dụng hơi nước bão hòa để đun với hơi đi trong ống lỏng đi ngoài ống

- (5): Thiết bị ngưng tụ hoàn toàn, nước lạnh đi trong ống

- (6): Thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh

- (7): Thùng chứa sản phẩm đỉnh

- (8): Thùng chứa sản phẩm đáy

- (9): Thùng chứa hỗn hợp đầu

1.3.2 Qúa trình làm việc

Hỗn hợp Axeton và Benzen là một hỗn hợp lỏng hòa tan hoàn toàn vào nhau theo mọi tỷ lệ

Ta có tsAxeton=56,10C< tsBenzen=80,10C nên độ bay hơi của Axeton lớn hơn độ bay hơi của Benzen Vậy nên sản phẩm đáy chủ yếu là Benzen và một phần rất ít là Axeton Ngược lại sản phẩm đỉnh lại chủ yếu là Axeton và một phần rất ít của Benzen

Tiến hành cụ thể: Trước hết hỗn hợp Axeton, Benzen từ thùng chứa (9) được bơm vào thùng cao vị(3) rồi dẫn xuống thiết bị đun nóng(2) Sự có mặt của thùng cao vị đảm bảo cho lượng hỗn hợp đầu vào tháp không dao động, trong trường hợp công suất bơm quá lớn hỗn hợp đầu sẽ theo ống tuần hoàn tràn về bể chứa hỗn hợp đầu Ở (2) dung dịch được đun nóng đến nhiệt độ sôi bằng hơi nước bão hòa Ra khỏi thiết bị đun nóng, dung dịch đi vào tháp chưng luyện(1) vào vị trí đĩa tiếp liệu.Do đã được đun nóng đến nhiệt độ sôi nên tại đây Axeton thực hiện quá trình chuyển khối từ pha lỏng sang pha hơi và tiến về đỉnh tháp Benzen là cấu tử khó bay hơi ở nhiệt độ này

nó vẫn đang ở thể lỏng và phân phối xuống dưới Như vậy trong tháp hơi Axeton đi từ dưới lên gặp lỏng Benzen đi từ trên xuống Vì nhiệt độ càng lên càng thấp nên khi hơi Axeton đi từ dưới lên có mang theo một phần cấu tử Benzen, cấu tử có nhiệt độ sôi cao sẽ ngưng tụ lại và cuối cùng ở trên đỉnh ta thu được hỗn hợp gồm hầu hết cấu tử Axeton dễ bay hơi Hơi Axeton vào thiết bị ngưng tụ(5) được ngưng tụ lại Một phần chất lỏng ngưng đi qua thiết bị làm lạnh(6) đến nhiệt độ cần thiết rồi đi vào thùng chứa sản phẩm đỉnh(7) Một phần khác hồi lưu về tháp ở đĩa trên cùng để tăng mức độ tách

Tương tự quá trình dịch chuyển của Benzen sẽ kéo theo một phần cấu tử Axeton và càng xuống thấp nhiệt độ của tháp càng tăng khi chất lỏng Benzen đi từ trên xuống gặp hơi Axeton có nhiệt

độ cao hơn, một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thaaos được bốc hơi và do đó nồng độ của Benzen khó bay hơi trong chất lỏng ngày càng tăng Cuối cùng ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng gồm hầu hết là chất lỏng Benzen khó bay hơi Chất lỏng ở đáy tháp khi ra khỏi tháp được làm lạnh rồi đưa vào thùng chứa sản phẩm(8) Để tiết kiệm hơi đốt người ta có thể dùng hơi ở đỉnh tháo để đun nóng hỗn hợp ban đầu

Chương 2 Tính toán công nghệ thiết bị chính

2.1 Cân bằng vật liệu và nhiệt lượng

2.1.1 Cân bằng vật liệu

a Thông số ban đầu

Gọi F: lưu lượng theo hỗn hợp đầu, kg/h, kmol/h

P: lưu lượng sản phẩm đỉnh, kg/h, kmol/h

W: lưu lượng sản phẩm đáy, kg/h, kmol/h

af: nồng độ hỗn hợp đầu, % khối lượng

ap: nồng độ sản phẩm đỉnh, % khối lượng

aw: nồng độ sản phẩm đáy, %khối lượng

Xp: nồng độ hỗn hợp đầu, %mol

Xf: nồng độ hỗn hợp đầu, %mol

Xw: nồng độ sản phẩm đáy, %mol

Để thuận tiện trong quá trình tính toán ta kỳ hiệu:

Axeton: A, MA=58

Benzen:B, MB=78

Theo yêu cầu ban đầu F= 44 tấn/ ngày =1833,33kg/h

b.Tính cân bằng vật liệu

Phương trình cân bằng vật liệu viết cho toàn tháp:

F=P+W (1)

Phương trình cân bằng vật liệu viết cho cấu tử nhẹ:

Faf= Pap + Waw (2)

Từ (1) và (2) suy ra:

F

ap −aw =

P

af −aw =

W

ap −aw

 P=¿Fap af −aw −aw = 1833,33 3797−2−2 = 675,44 (kg/h)

Từ (1) suy ra: W= F-P = 1833,33 – 675,44 = 1157,89 (kg/h)

Tính nồng độ phần mol của cấu tử Axeton

Thành phần mol trong hỗn hợp đầu:

xF =

af MA af

MA +

1−af

MB

¿

0.37 58 0.37

58 +

1−0.37 78

=0.441(phần mol)=44 ,1(%mol) Thành phần mol trong sản phẩm đỉnh:

xP =

ap MA ap

MA +

1−ap

MB

=

0.97 58 0.97

58 +

1−0.97 78

=0,978¿mol) = 97,8(%mol)

Thành phần mol trong sản phẩm đáy:

xW ¿

aw MA aw

MA +

1−aw

MB

=

0.02 58 0.02

58 +

1−0.02 78

= 0.027( phần mol) = 2.7(%mol)

Tính khối lượng mol trung bình

- Trong hỗn hợp đầu:

MF = xFMA + ( 1- xF)MB = 0.441 58 + (1-0.441) 78 = 69.18 (kg/kmol)

- Trong sản phẩm đỉnh:

Mp = xpMA + (1-xp)MB = 0.978 58 + (1- 0.978) 78 = 58.44 (kg/kmol)

- Trong sản phẩm đáy:

Mw = xwMA + ( 1- xw)MB= 0.027 58 + ( 1- 0.027) 78 = 77.46(kg/kmol

Như vậy ta có bảng tổng kết thành phần sản phẩm như sau:

Nồng độ phần khối lượng

Nồng độ phần mol Lưu lượng

(kg/h)

Lưu lượng (kmol/h)

c- Thành phần pha của hỗn hợp 2 cấu tử Axeton- Benzen