Thiết kế hệ thống chưng luyện liên tục hỗn hợp hai cấu tử benzen toluen

Đối với quá trình công nghệ yêu cầu tách hỗn hợp nhiều cấu tử với năng suất lớn và độ tinh khiết cao, người ta thường tiến hành quá trình chưng luyện liên tục Và để hiểu rõ hơn về quá tr

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG HÓA VÀ KHOA HỌC SỰ SỐNG

BỘ MÔN QUÁ TRÌNH -THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM

- -

ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH CH4659

THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG LUYỆN LIÊN TỤC HỖN HỢP HAI CẤU TỬ BENZEN-TOLUEN

Sinh viên thực hiện : Đinh Thị Nhớ

Giảng viên hướng dẫn : PGS.TS.Nguyễn Minh Tân

Hà Nội, 07/2023

Hình 6 Sơ đồ cân bằng nhiệt lượng 50

Hình 7 Kết cấu của nắp elip 74

Hình 8 Phân phối dòng lỏng kiểu đĩa có các chóp lỗ 87

Hình 9 Đĩa phân phối kiểu TCH-III 87

Hình 10.Đĩa phân phối kiểu TCH-II 89

Hình 11 Tải trọng gió tác dụng lên tháp 94

Hình 12 Các phương pháp hàn trụ đỡ vào đáy tháp 95

Hình 13 Gối đỡ kiểu yên ngựa [4-488] 151

DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 1 so sánh ưu nhược điểm của các loại tháp 10

Bảng 2 thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Benzen – Toluen 12

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ 1

DANH SÁCH BẢNG BIỂU 1

LỜI MỞ ĐẦU 7

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG 8

1.Tổng quan về quá trình chưng luyện 8

1.1.Khái niệm về chưng cất 8

1.2.Thiết bị chưng luyện 9

2 Giới thiệu về nguyên liệu 10

2.1 Benzen 10

2.2 Toluen 11

2.3 Các nguồn điều chế 12

2.4 Hỗn hợp benzen- toluen 12

CHƯƠNG 2: SƠ ĐỒ HỆ THỐNG CHƯNG LUYỆN LIÊN TỤC 13

1 Sơ đồ khối: Sơ đồ biểu diễn về lượng 13

2 Sơ đồ PFD 13

3 Sơ đồ P&ID 15

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ THIẾT BỊ CHÍNH 17

1 Tính cân bằng vật liệu và chuyển đổi nồng độ 17

1.1.Chuyển đổi nồng độ 18

1.2.Cân bằng vật liệu cho toàn tháp 18

1.2.1 Tính cân bằng vật liệu theo phần khối lượng 18

1.2.2 Tính cân bằng vật liệu theo phần mol 19

2.4.1 Phương trình làm việc của đoạn luyện 25

2.4.2 Phương trình làm việc của đoạn chưng 25

3 Tính toán đường kính tháp 27

3.1 Tính toán các thông số các dòng pha 27

3.1.1 Tính toán thông số dòng của đoạn luyện 27

3.1.2 Các thông số dòng của đoạn chưng 33

3.1.3 Chọn đệm cho tháp chưng luyện 38

3.2 Tính toán đường kính làm việc của đoạn chưng và đoạn luyện 38

3.2.1 Tính đường kính của đoạn luyện 39

3.2.2 Tính đường kính đoạn chưng 41

4 Tính toán chiều cao tháp 44

4.1 Tính toán chiều cao tương đương với đĩa lý thuyết HETP 44

4.1.1 HETP của đoạn luyện và chiều cao làm việc đoạn luyện 44

4.1.2 HETP của đoạn chưng và chiều cao làm việc đoạn chưng 46

4.2 Các chiều cao bổ sung 48

4.3 Chiều cao sơ bộ của tháp 49

5 Tính trở lực của tháp 49

5.1 Trở lực của đoạn luyện 49

5.2 Trở lực của đoạn chưng 49

6 Tinh cân bằng nhiệt lượng 49

6.1 Tính cân bằng nhiệt lượng của thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 50

6.1.1 Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào 50

6.1.2 Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào 51

6.1.3 Nhiệt do hỗn hợp đầu mang ra 52

6.1.4 Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra 52

6.1.5 Nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh 52

6.1.6 Lượng hơi đốt cần thiết để dun nóng 53

6.2 Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện 53

6.2.1 Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào 53

6.2.2 Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào đáy tháp 53

6.2.3 Nhiệt lượng do lỏng hồi lưu mang vào 54

6.2.4 Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp 54

6.2.5 Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra 55

6.2.6 Nhiêt lượng mất mát ra môi trường xung quanh 56

6.3 Cân bằng nhiệt lượng thiết bị ngưng tụ 56

6.4 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh 57

CHƯƠNG 4: TÍNH CƠ KHÍ THÁP CHƯNG LUYỆN 59

1.Tính toán các ống dẫn 59

1.1.Cửa dẫn dung dịch vào 59

1.2.Cửa tháo đáy 61

1.3.Ống dẫn lỏng hồi lưu ở đỉnh 63

1.4.Cửa hồi lưu dòng hơi ở đáy 65

1.5.Cửa dẫn hơi ra khỏi đỉnh tháp 67

2 Tính toán các thông số về bề dày vỏ thiết bị 69

2.1 Bề dày thân tháp 69

2.2 Bề dày của nắp ở đáy tháp 74

2.3 Bề dày nắp đỉnh tháp 79

3 Tính bề dày lớp cách nhiệt 84

4 Các kết cấu phân phối lỏng 86

5 Các kết cấu phân phối lại lỏng 88

7.1 Chọn bích nối giữa thân tháp với đáy và nắp tháp 99

7.2.Chọn bích liền bằng thép kim loại đen để nối các bộ phận của thiét bị và ống 99 7.3 Kích thước và chiều dài đoạn ống nối 100

CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ 101

1 Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 101

1.1 Tính lượng nhiệt trao đổi 101

1.2 Nhiệt độ trung bình lưu thể 101

1.3 Hệ số cấp nhiệt cấp nhiệt về phía hơi ngưng tụ 102

1.4 Hệ số cấp nhiệt phía dung dịch 103

1.5 Tính bề mặt truyền nhiệt 108

1.6 Tính số ống truyền nhiệt 108

1.7 Tính đường kính thiết bị gia nhiệt 109

1.8 Tính toán lại chuẩn số Re và chia ngăn cho thiết bị 110

1.9 Tinh toán bề dày của thân trụ 111

2.2.1 Chiều cao hút của bơm 126

2.2.2 Áp suất toàn phần do bơm tạo ra 126

2.2.3 Công suất yêu cầu trên trục động cơ của bơm 127

2.2.4 Chọn bơm 128

3 Thiết bị ngưng tụ đỉnh tháp 128

3.1.Tính lượng nhiệt trao đổi 128

3.2 Nhiệt độ trung bình lưu thể 129

3.3 Hệ số cấp nhiệt cho từng lưu thể 129

3.3.1 Cấp nhiệt về phía hơi ngưng tụ 129

3.3.2 Cấp nhiệt về phía hỗn hợp chảy xoáy 130

3.4 Tính bề mặt truyền nhiệt 133

3.5.Tính số ống truyền nhiệt 133

3.6.Tính đường kính thiết bị ngưng tụ 134

3.7.Tính toán lại chuẩn số Re và chia ngăn cho thiết bị 135

3.8 Tính toán cơ khí thiết bị ngưng tụ 136

3.8.1 Chiều dày của thân thiết bị 138

3.8.2 Tính chiều dày lưới đỡ ống 139

3.8.3 Tính chiều dày đáy và nắp thiết bị 141

LỜI MỞ ĐẦU

Chưng cất từ lâu đã là một phương pháp phổ biến dùng để tách hỗn hợp các cấu tử để thu được những sản phẩm có nồng độ cao Trong một số dây chuyền sản xuất trong công nghiệp, chưng cất là một khâu quan trọng quyết định chất lượng sản phẩm Đối với quá trình công nghệ yêu cầu tách hỗn hợp nhiều cấu tử với năng suất lớn và độ tinh khiết cao, người ta thường tiến hành quá trình chưng luyện liên tục

Và để hiểu rõ hơn về quá trình chưng luyện, em được giao đề tài tính toán thiết kế tháp chưng luyện liên tục loại tháp đệm để tách hỗn hợp hai cấu tử Benzen- Toluen với năng suất đầu 4,8 kg/s, nồng độ hỗn hợp đầu 22% khối lượng, nồng độ sản phẩm đỉnh 95% khối lượng, nồng độ sản phẩm đáy 0,5% khối lượng

Việc làm đồ án giúp sinh viên từng bước tiếp cận với thực tiễn sau khi đã hoàn thành khối lượng kiến thức của 3 học phần “Quá trình thiết bị I, II, III” cùng với một số kiến thức của các môn cơ sở ngành khác Qua việc làm đồ án, sinh viên biết cách tìm và sử dụng tài liệu tham khảo để tra cứu, vận dụng những kiến thức, quy định thiết kế, tự nâng cao kỹ năng vận dụng, tính toán, trình bày nội dung bản thiết kế theo văn phong khoa học và nhìn nhận vấn đề một cách có hệ thống

Em xin chân thành cảm ơn cô Nguyễn Minh Tân đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn và truyền đạt những kinh nghiệm quý báu để em hoàn thành đồ án

Trong quá trình làm đồ án do còn thiếu kinh nghiệm và không tránh khỏi các sai lầm, thiếu sót, kính mong sự đóng góp nhiệt tình của quý thầy, cô để đồ án của em được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG 1.Tổng quan về quá trình chưng luyện

1.1.Khái niệm về chưng cất

Chưng là phương pháp tách hỗn hợp chất lỏng (cũng như các hỗn hợp khí đã hoá lỏng) thành những cấu tử riêng biệt, dựa trên 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 để tạo nên sự tiếp xúc giữa hai pha như trong quá trình hấp thụ 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 phẩm Nếu xét hệ đơn giản chỉ có 2 cấu tử thì ta sẽ thu được 2 sản phẩm

+ Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt độ sôi nhỏ + Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi nhỏ (nhiệt độ sôi lớn)

Để có thể thu được sản phẩm đỉnh tinh khiết sẽ tiến hành chưng nhiều lần ( còn gọi là chưng luyện )

Phân loại phương pháp chưng: - Theo áp suất làm việc:

▪ Áp suất chân không ▪ 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

- Số lượng cấu tử trong hỗn hợp ▪ Hệ hai cấu tử

▪ Hệ ba hoặc số cấu tử ít hơn mười ▪ Hệ nhiều cấu tử (lớn hơn mười cấu tử) - Phương thức làm việc

▪ Liên tục ▪ Gián đoạn

▪ Quá trình chưng luyện liên tục được ứng dụng phổ biến trong sản xuất - Chưng luyện là phương pháp phổ biến nhất dùng để tách hoàn toàn hỗn hợp các

cấu tử dễ bay hơi có tính chất hòa tan một phần hay hòa tan hoàn toàn vào nhau Về thực chất đây là quá trình chưng nhiều lần để thu được sản phẩm tinh khiết Người ta đơn giản hệ thống bằng cách thay cả hệ thống sơ đồ thiết bị phải chế tạo phức tạp và cồng kềnh bởi một tháp gọi là tháp chưng luyện Trong đó các dòng pha chuyển động ngược chiều nhau

- Chưng luyện ở áp suất chân không: dùng trong trường hợp cần hạ thấp nhiệt độ sôi của cấu tử (đối với các cấu tử dễ bị phân huỷ ở nhiệt độ cao hay có nhiệt độ sôi quá cao)

- Chưng luyện ở áp suất cao: dùng trong trường hợp hỗn hợp không hoá lỏng ở áp suất thường

- Chưng luyện ở áp suất thường: có thể thực hiện khi sản phẩm không có các tính chất như dễ phân huỷ ở nhiệt độ cao, nhiệt độ sôi quá cao hay hoá lỏng ở áp suất thường

1.2.Thiết bị chưng luyện

Trong sản xuất, người ta thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để 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 độ phân tán của một lưu chất này vào lưu chất kia Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta có các loại tháp đĩa, tháp chóp nếu pha lỏng phân tán vào pha khí ta có tháp đệm, tháp phun … Ở đây ta khảo sát 2 loại thường dùng là các tháp loại đĩa và tháp đệm

Tháp đĩa: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các đĩa có đục lỗ có cấu tạo khác nhau, trên đó pha lỏng và pha hơi được cho tiếp xúc với nhau theo bậc Tuỳ theo cấu tạo của đĩa, ta có:

- Tháp chóp: trên mâm bố trí có chóp dạng tròn, xupap, … - Tháp đĩa: trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh

Tháp đệm: tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối với nhau bằng mặt bích hay hàn Đệm được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp sau: đệm cấu trúc

- Bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng thành thiết bị → hệ thống phân phối

Ở đây ta sử dụng tháp đệm để chưng cất hỗn hợp Benzen, Toluen Tháp đệm có thể làm việc ở áp suất thường, áp suất chân không, làm việc liên tục hoặc gián đoạn Cấu tạo kích thước đệm tuỳ thuộc chế độ làm việc và yêu cầu độ tinh khiết của sản phẩm

2 Giới thiệu về nguyên liệu

Nguyên liệu đầu vào cho tháp là hỗn hợp Benzen – Toluen

2.1 Benzen

Là một hợp chất mạch vòng, ở dạng lỏng không màu và có mùi thơm nhẹ Công thức phận tử là C6H6 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 môi Tuy nhiên sau đó người ta phát hiện ra rằng nồng độ benzen trong không khí chỉ cần thấp khoảng 1ppm cũng có khả năng gây ra bệnh bạch cầu, nên ngày nay benzen được sử dụng hạn chế hơn

Các tính chất vật lý của Benzen - Khối lượng phân tử: 78,11 kg/kmol - Tỉ trọng(20oC): 0,879

- Nhiệt độ sôi: 80 oC

- Nhiệt độ nóng chảy: 5,5 oC

Về ứng dụng: dùng điều chế nitro benzen, anilin, tổng hợp phẩm nhuộm, dược phẩm , Clobenzen là dung môi tổng hợp DDT, hexacloaran (thuốc trừ sâu) Stiren (monome để tổng hợp chất dẻo) và nhiều sản phẩm quan trọng khác Benzen còn được dùng làm dung môi

Về sản xuất: Nguồn cung cấp Benzen cho công nghiệp là nhựa chưng cất, than đá, hexan và toluen 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 các chất hữu cơ khác nhau khi chưng cất phân đoạn thu được Benzen

2.2 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

Về ứng dụng: Toluen chủ yếu được dùng làm dung môi hòa tan nhiều loại vật liệu như sơn, các loại nhựa tạo màng cho sơn, mực in, chất hóa học, cao su, mực in, chất kết dính, Do có chỉ số octan khá cao nên toluen thường được sử dụng để tăng chỉ số octan của xăng Ngoài ra, Toluen còn dùng để sản xuất thuốc nhuộm và điều chế thuốc nổ TNT

Về sản xuất: Toluen trong công nghiệp chủ yếu được sản xuất bằng phương pháp chưng cất dầu mỏ hoặc than đá Phương pháp này có thể vừa sản xuất được số lượng lớn vừa tận dụng được nguồn tài nguyên thiên nhiên sẵn có

2.3 Các nguồn điều chế

- 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 mỏ…

- Đóng vòng và dehiro hóa ankane: Các ankane có thể tham gia đóng vòng và dehidro hóa tạo thành hidro cacbon thơm ở nhiệt độ cao và có mặt xúc tác như Cr2O3, hay các kim loại chuyển tiếp như Pd, Pt

3( 2 4) 3

- 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 chuyển tiếp tạo thành benzen hay các dẫn xuất cảu benzen

- Đi từ acetylen: Đun acetane trong sự có mặt cảu của xúc tác là than hoạt tính hay phức của niken như Ni(CO)[(C6H5)P] sẽ thu được benzen

3C HC H6 6

- Từ benzen ta có thể điều chế được các dẫn xuất của benzen như toluen bằng phản ứng Friedel-Crafts (phản ứng ankyl hóa benzen bằng các dẫn xuất ankyl halide với sự có mặt cảu xúc tác AlCl3 khan

Nhận xét về hệ chưng cất Benzen – Toluen: hệ chưng cất gồm 2 cấu tử Benzen – Toluen là hệ chưng chất gần như lý tưởng, không có điểm đẳng phí Bằng kỹ thuật chưng cất, ta có thể thu được Benzen và Toluen với độ tinh khiết cao

CHƯƠNG 2: SƠ ĐỒ HỆ THỐNG CHƯNG LUYỆN LIÊN TỤC 1 Sơ đồ khối: Sơ đồ biểu diễn về lượng

Hình 1 Sơ đồ khối- biểu diễn về lượng

2 Sơ đồ PFD

(Bản vẽ được đính kèm ở trang sau)

*Thuyết minh sơ đồ

Dòng hỗn hợp đầu từ thùng chứa T-1 được bơm P-1 bơm liên tục đi qua lưu lượng kế F-1 và được đưa vào thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu HE-1 Tại thiết bị gia nhiệt HE-1, hỗn hợp được gia nhiệt bằng hơi nước bão hòa có áp suất 3at đến trạng thái lỏng sôi rồi đưa vào tháp chưng luyện Tại tháp chưng luyện, quá trình chuyển khối diễn ra, cụ thể là quá trình tiếp xúc pha của dòng lỏng hồi lưu đi từ đỉnh tháp xuống và dòng hơi đi lên từ

thiết bị đun bay hơi đáy tháp Kết quả của quá trình chưng luyện là Benzen do là chất có nhiệt độ sôi thấp hơn nên sẽ đi lên đỉnh tháp, Toluen sẽ đi xuống đáy tháp

Dòng hơi sau khi đi ra khỏi đỉnh tháp sẽ đi vào thiết bị ngưng tụ HE-2 để ngưng thành lỏng với chất tải nhiệt là nước 20°C Dòng lỏng khi đã được ngưng tụ sẽ được đưa vào thùng chứa T-4 Sau đó một phần sản phẩm được hồi lưu trở lại tháp bằng bơm P-2 để làm dòng lỏng đi trong tháp chưng luyện Lượng còn lại đi vào thiết bị làm nguội HE-3 để hạ nhiệt độ sản phẩm đỉnh trước khi vào thùng chứa T-3

Dòng lỏng sau khi ra khỏi đáy tháp, một phần vào thiết bị đun bay hơi đáy tháp HE-4 để đun bay hơi rồi đưa vào tháp tạo thành dòng hơi đi trong tháp Phần còn lại đi vào thiết bị làm nguội HE-5 để hạ nhiệt độ sản phẩm đáy trước khi vào thùng chứa T-2

Quá trình chưng luyện là liên tục

3 Sơ đồ P&ID

Ký hiệu Ý nghĩa tiếng anh Tiếng Việt

LAH Level alarm high Cảnh báo mức cao (giới hạn trên) LAL Level alarm low Cảnh báo mức thấp (giới hạn dưới)

FRC Flow record control Điều khiển lưu lượng dòng (bởi van) và ghi lại LCV Level controller valve Điều khiển van tác động đến mức chất lỏng

trong thùng chứa/ thiết bị

FI Flow rate indicate Hiển (biểu) thị giá trị lưu lượng ra màn hình FAH Flow rate alarm high Cảnh báo giá trị lưu lượng cao (giới hạn trên) FAL Flow rate alarm low Cảnh báo giá trị lưu lượng thấp (giới hạn dưới)

TI Temperature indicate Hiển (biểu) thị giá trị nhiệt độ ra màn hình TAH Temperature alarm high Cảnh báo giá trị nhiệt độ cao (giới hạn trên) TAL Temperature alarm low Cảnh báo giá trị nhiệt độ thấp (giới hạn dưới)

PI Presssure indicate Hiển (biểu) thị giá trị áp suất ra màn hình PAH Presssure alarm high Cảnh báo giá trị áp suất cao (giới hạn trên) PAL Presssure alarm low Cảnh báo giá trị áp suất thấp (giới hạn dưới)

T-2 Thùng chứa sản phẩm đáy

tụ

thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu

tháp

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ THIẾT BỊ CHÍNH

Trong phần tính toán thiết bị chính, mục tiêu hoàn thành những nội dung sau: - Tính toán cân bằng vật liêu trong toàn tháp

- Xác định số bậc thay đổi nồng độ (Xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu, xác định số đĩa lý thuyết nhỏ nhất, xác định chỉ số hồi lưu thích hợp từ đó xác định phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn luyện và phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng)

- Xác định các thông số chính của tháp: đường kính và chiều cao của tháp

1 Tính cân bằng vật liệu và chuyển đổi nồng độ

* Thông số ban đầu:

Gọi F: lưu lượng hỗn hợp đầu, kg/h, kmol/h F = 4,8 kg/s = 17280 kg/h

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

𝑎𝐹: nồng độ phần khối lượng hỗn hợp đầu, % khối lượng 𝑥𝐹: nồng độ phần mol hỗn hợp đầu, phần mol 𝑥𝑊: nồng độ phần mol sản phẩm đáy, phần mol * Để thuận tiện trong quá trình tính toán ta ký hiệu: Benzen: B, 𝑀B = 78,11 kg/kmol

Trong đó: 𝑎B, 𝑎T nồng độ phần khối lượng của Benzen và Toluen 𝑀B, 𝑀T khối kượng mol phân tử của Benzen và Toluen Nồng độ phần mol của benzen trong hỗn hợp đầu:

1.2.Cân bằng vật liệu cho toàn tháp

1.2.1 Tính cân bằng vật liệu theo phần khối lượng

Phương trình cân bằng vật liệu toàn tháp

Từ đồ thị hình 1: đồ thị y-x biểu diễn đường cân bằng

xF = 0,250 % mol, dùng phương pháp nội suy ta có 𝑦𝐹∗ = 0,448 %mol Tính chỉ số hồi lưu tối thiểu

Rmin : lượng hồi lưu tối thiểu ở đỉnh được tính theo công thức

xP: nồng độ phần mol của Benzene trong pha lỏng ở sản phẩm đỉnh xF: nồng độ phần mol của Benzene trong pha lỏng ở hỗn hợp đầu

𝑦𝐹∗: nồng độ phần mol của Benzene trong pha hơi nằm cân bằng pha lỏng ở hỗn hợp đầu

2.2 Xác định số đĩa lý thuyết tối thiểu 𝐍𝐋𝐓𝐦𝐢𝐧

Xác định NLTmin ở chế độ hồi lưu hoàn toàn bằng phương pháp đồ thị

Khi chỉ số hồi lưu R→ ∞ (chế độ hồi lưu hoàn toàn) đường làm việc của tháp chưng luyện liên tục sẽ trùng với đường chéo của hình vuông (y = x) trên đồ thị Mc Cabe- Thiele và số đĩa lí thuyết NLT của tháp sẽ là nhỏ nhất

Dựng đồ thị y – x (đồ thị Mc Cabe – Thiele) Từ điểm có tọa độ (𝑥𝑝; 𝑦𝑝) vẽ đường thẳng song song với trục hoành cắt đường cân bằng pha tại 1 điểm; rồi từ giao điểm đó vẽ đường thẳng song song với trục tung gặp đường làm việc (y = x) ở một điểm khác Cứ tiếp tục dựng các đường song song cho tới khi đến điểm (𝑥𝑤; 𝑦𝑤) (tức là x < xw thì dừng lại) Đếm số tam giác giữa đường cân bằng pha và đường làm việc (y=x) Số tam giác có giá trị chính bằng số đĩa lí thuyết nhỏ nhất NLTmin cần tìm

Dựng như trong đồ thị dưới đây ta xác định dược số đĩa lý thuyết nhỏ nhất NLTmin= 9,5 (đĩa)

Hình 3.Đồ thị xác định NLTmin

2.3 Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp Rth

Phương trình Molokanov có độ tin cậy cao trong phạm vi thay đổi sau đây của các đại lượng:

- Số cấu tử của hệ: 2 – 11 (thỏa mãn)

- Áp suất: từ chân không đến 400 bar (thỏa mãn)

- Chỉ số hồi lưu nhỏ nhất: Rmin = 0,53 – 9,09 (thoả mãn) - Số đĩa lý thuyết nhỏ nhất: NLTmin = 3,4 – 60,3 (thỏa mãn) - Hệ số bay hơi tương đối: α = 1,11 – 4,05

Ta có công thức tính độ bay hơi tương đối [VII.4/]:

→ Độ bay hơi tương đối: 𝛼 = (𝛼𝑤 𝛼𝐹 𝛼𝑃)13 = (2,386.2,435.2,451)13 = 2,444

Vậy thỏa mãn điều kiện hệ số bay hơi tương đối: α = 1,11- 4,05

Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp dựa vào điều kiện thể tích tháp nhỏ nhất tức là tương đương với NLT (𝑅𝑥+1) nhỏ nhất (NLT: Số bậc thay đổi nồng độ lý thuyết):

Rx = β Rmin

Với β là hệ số dư hay hệ số hiệu chỉnh: β = 1,2 – 2.5

Vấn đề chọn chỉ số hồi lưu thích hợp rất quan trọng, nếu lượng hồi lưu quá bé thì tháp sẽ vô cùng cao, điều này rất khó thực hiện, nếu lượng hồi lưu lớn thì tháp thấp đi nhưng đường kính lại lớn, sản phẩm đỉnh thu được ít

Xác định R thích hợp theo số bậc thay đổi nồng độ được tiến hành như sau: cho nhiều giá trị R lớn hơn giá trị Rmin Với mỗi giá trị trên, ta xác định được tung độ của đường làm việc đoạn luyện với trục tung B, với:

Hình 5 Đồ thị xác định NLT

Vậy có 17 đĩa trong đó có 10 đĩa đoạn chưng và 7 đĩa đoạn luyện

3 Tính toán đường kính tháp

Đường kính của tháp chưng luyện ảnh hưởng đến lưu lượng các dòng pha lỏng và pha hơi đi trong tháp do đó ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất của dây chuyền Việc tính toán đường kinh tháp chưng phụ thuộc chủ yếu vào 2 yếu tố là thông số dòng FLG và yếu tố đệm

3.1 Tính toán các thông số các dòng pha 3.1.1 Tính toán thông số dòng của đoạn luyện

3.1.1.1 Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện

Lưu lượng khối lượng dòng pha hơi trung bình đi trong tháp thay đổi theo từng đoạn của tháp do khi càng lên cao thì lượng benzen trong pha hơi càng tăng, lượng Toluen trong pha hơi càng giảm (với giả thiết dòng mol pha hơi đi từ dưới lên không đổi trên từng đoạn của tháp) [1-77]

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện của tháp có thể tính gần đúng bằng trung bình cộng của lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp và lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện

𝑔𝑡𝑏 = 𝑔đ+𝑔1

Trong đó: gtb: lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện, kg/s

g1: lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện, kg/s

gđ: lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp, kg/s

Lượng hơi ra khỏi đỉnh tháp được tính toán thông qua cân bằng vật chất, bằng tổng lượng dòng sản phẩm đỉnh và dòng hồi lưu về tháp:

𝑔đ = 𝑃 (𝑅 + 1) = 3931,43

3600 (3,88 + 1) = 5,329 ( 𝑘𝑔

𝑠 ) [2 − 181] Lượng hơi đi trong đoạn luyện của tháp được tính thông qua phương trình cân bằng vật chất trên đoạn luyện của tháp:

G1= L1 + P

G1Y1= L1X1+ PXP

Với: G1: Lưu lượng dòng pha hơi đi trong đoạn luyện của tháp (kmol/s) L1: Lưu lượng dòng pha lỏng đi trong đoạn luyện của tháp (kmol/s) P: Lưu lượng dòng sản phẩm đỉnh thu được

X1: Nồng độ Benzen trong dòng lỏng (kmol/kmol) Y1: Nồng độ Benzen trong dòng hơi (kmol/kmol)

XP: Nồng độ Benzen trong dòng sản phẩm đỉnh thu được (Kmol/kmol) Giả thiết: lượng mol các dòng pha lỏng và hơi dọc theo chiều cao của tháp là

không đổi, từ đó ta tính được lưu lượng dòng pha hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện là:

G1= P.(R+1) = 0,0139.( 3,88+1) = 0,0678 (kmol/s)

Lưu lượng mol dòng lỏng đi trong đoạn luyện chính là dòng hồi lưu trở lại tháp L1= P.R = 0,0139 3,88 = 0,0539 (kmol/s)

Từ phương trình bảo toàn Benzen trong các dòng pha:

3.1.1.2 Lượng lỏng đi trong đoạn luyện của tháp

Lượng lỏng cấp cho đoạn luyện của tháp toàn bộ là lượng lỏng hồi lưu từ đỉnh xuống Theo giả thiết lưu lượng mol các dòng pha đi trong từng đoạn của tháp chưng luyện không đổi, do đó sự thay đổi khối lượng của dòng lỏng trong tháp chủ yếu là do sự thay đổi về khối lượng mol (do từ dưới lên, lượng mol của Benzen tăng dần, Toluen giảm dần và có sự chênh lệch khối lượng mol của Benzen và Toluen) [3-77]

Lưu lượng mol của dòng lỏng trên đoạn luyện của tháp đã tính được ở trên L1=0,0539 kmol/s

Tại đỉnh tháp, nồng độ Benzen trong dòng lỏng chính bằng nồng độ Benzen trong dòng sản phẩm đỉnh do theo giả thiết, thiết bị ngưng tụ đỉnh tháp sẽ ngưng tụ hoàn toàn dòng hơi về lỏng, không có vai tròn chuyển khổi Do đó xđ = 0,957 kmol/kmol

Khối lượng mol dòng lỏng ở đỉnh là:

3.1.1.3 Khối lượng riêng trung bình của các dòng pha đi trong đoạn luyện của tháp

Với dòng pha hơi, khối lượng riêng trung bình của các dòng hơi đi trong tháp được tính

- M1, M2: Khối lượng mol của Benzen và Toluen (kg/kmol)

- T: Nhiệt độ làm việc trung bình của tháp, hay của đoạn chưng hay đoạn luyện, tính theo °K

- ytb1 : Nồng độ phần mol của cấu tử Benzen (phần mol)

𝑦𝑡𝑏1 = 𝑦đ1+𝑦𝑐1

+ yđ1, yc1: nồng độ đầu và cuối đoạn luyện( phần mol)

- ytb1.MB + (1-ytb1).MT : Khối lượng mol trung bình của hỗn hợp ở đoạn luyện Nồng độ cấu tử được phân bố trong pha hơi là:

𝑦𝑡𝑏1 = 𝑦đ1+𝑦𝑐1

2 = 0,395+0,957

2 = 0,678 (kmol/kmol)

Nhiệt độ làm việc trung bình của đoạn luyện sẽ được lấy bằng trung bình cộng nhiệt độ làm việc tại đầu vào và ra của đoạn luyện Nhiệt độ làm việc sẽ được tính theo dòng pha lỏng tại từng vị trí tháp

Ttb1= 𝑇đ1+𝑇𝑐1

Nhiệt độ dòng lỏng vào đoạn luyện chính bằng nhiệt độ của dòng hồi lưu vào tháp, nội suy từ bảng số liệu cân bằng pha [2-146]

Xđ= 0,957 phần mol →Tđ1 = 81,10°C

Nhiệt độ dòng lỏng đi ra khỏi đoạn luyện chính bằng nhiệt độ dòng lỏng đi qua xuống trộn với dòng hỗn hợp đầu vào, nội suy từ bảng số liệu cân bằng pha [2-146]

Từ công thức [IX-102/ 2-183], ta tính được khối lượng riêng dòng pha hơi trung bình đi trong đoạn luyện là:

ρxtb1: Khối lượng riêng của Benzen tại nhiệt độ làm việc trung bình của đoạn luyện ρxtb2: Khối lượng riêng của Toluen tại nhiệt độ làm việc trung bình của đoạn luyện 𝑎𝑡𝑏1: Phần khối lượng trung bình của Benzen trong pha lỏng của đoạn luyện Nồng độ phần khối lượng trung bình của dòng pha lỏng đi trong đoạn luyện của

Từ nhiệt độ làm việc trung bình của đoạn luyện là Ttb1 =90,75°C, ta nội suy được khối lượng riêng của Benzen và khối lượng riêng của Toluen [I.2/1-9]

3.1.1.4 Độ nhớt hỗn hợp lỏng trong đoạn luyện

Độ nhớt của các hỗn hợp chất lỏng được tính toán theo công thức: 𝑙𝑔𝜇ℎℎ = 𝑥1 𝑙𝑔𝜇1+ 𝑥2 𝑙𝑔𝜇2+ [1-84]

Với: μ1, μ2, : Độ nhớt của các chất lỏng thành phần,

x1, x2, : Nồng độ phần mol của các chất lỏng thành phần

Độ nhớt của chất lỏng sẽ phụ thuộc vào nhiệt độ làm việc Từ nhiệt độ làm việc trung bình của đoạn luyện là Ttb1 =90,75°C, ta nội suy được độ nhớt của Benzen và

3.1.2 Các thông số dòng của đoạn chưng

3.1.2.1 Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng

Tương tự như tính với đoạn luyện, lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng của tháp có thể tính gần đúng bằng trung bình cộng của lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của đoạn chưng và lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của tháp:

𝑔ʹ𝑡𝑏 = 𝑔ʹ1+𝑔1

Trong đó: gʹtb: lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng, kg/s

gʹ1: lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của tháp, kg/s

g1: lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của đoạn chưng, kg/s

Lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của đoạn chưng sẽ đúng bằng lượng hơi đi vào đoạn luyện của tháp (với giả thết quá trình chuyển khối không diễn ra tại bộ phận phân phối lại lỏng)

g1 = 5,871 (kg/s)

Lượng hơi đi trong đoạn chưng của tháp được tính thông qua phương trình cân bằng vật chất trên đoạn chưng của tháp:

Lʹ1= Gʹ1 + W

Lʹ1Xʹ1= Gʹ1Y1+ WXw

Với: G’1: lưu lượng dòng pha hơi đi trong đoạn chưng của tháp (kmol/s) L’1: Lưu lượng dòng pha lỏng đi trong đoạn chưng của tháp (kmol/s) W: Lưu lượng dòng sản phẩm đỉnh thu được (kmol/s)

X’1: nồng độ Benzen trong dòng lỏng ở đoạn chưng (kmol/kmol) Y’1: nồng độ Benzen trong dòng hơi ở đoạn chưng (kmol/kmol)

XW: nồng độ Benzen trong dòng sản phẩm đáy thu được (kmol/kmol) Khi đi qua đĩa tiếp liệu, lưu lượng dòng lỏng đi ra khỏi đoạn luyện sẽ được trộn thêm với dòng nguyên liệu vào (giả thiết rằng hỗn hợp đầu vào ở trạng thái lỏng sôi [3-77])

Lưu lượng dòng lỏng đi trong đoạn chưng của tháp là:

Yʹ1= Y*w tra theo bảng nội suy ta được: Yʹ1= Y*w = 0,0142 ( phần mol) Từ phương trình bảo toàn Benzen trong các dòng pha:

3.1.2.2 Lượng lỏng đi trong đoạn chưng của tháp

Lượng lỏng cấp cho đoạn chưng của tháp toàn bộ là lượng lỏng đi ra khỏi đoạn đĩa cuối cùng của đoạn luyện trộn với dòng nguyên liệu đầu vào Theo giả thiết lưu lượng mol các dòng pha đi trong từng đoạn của tháp chưng luyện không đổi, do đó sự thay đổi khối lượng của dòng lỏng trong đoạn chưng của tháp chủ yếu là do sự thay đổi về khối lượng mol (do từ dưới lên, lượng mol của Benzen tăng dần, Toluen giảm dần và có sự chênh lệch khối lượng mol của Benzen và Toluen) [3- 77]

Lưu lượng mol của dòng lỏng trên đoạn chưng của tháp đã tính được ở trên Lʹ1=0,1081 kmol/s

Qua điểm tiếp liệu, dòng lỏng đi từ đoạn luyện xuống được trộn với dòng nguyên liệu đầu, nên lưu lượng khổi lượng dòng lỏng khi bắt đầu vào đoạn chưng là:

3.1.2.3 Khối lượng riêng trung bình của các dòng pha đi trong đoạn chưng của tháp

Với dòng pha hơi, khối lượng riêng trung bình của các dòng hơi đi trong tháp được

- M1, M2: Khối lượng mol của Benzen và Toluen (kg/kmol)

- T: Nhiệt độ làm việc trung bình của tháp, hay của đoạn chưng hay đoạn luyện, tính theo °K

- ytb2 : Nồng độ phần mol của cấu tử Benzen (phần mol)

𝑦𝑡𝑏2 = 𝑦đ2+𝑦𝑐2

+ yđ2, yc2: nồng độ đầu và cuối đoạn chưng ( phần mol)

- ytb2.MB + (1-ytb2).MT : Khối lượng mol trung bình của hỗn hợp ở đoạn chưng Nồng độ cấu tử được phân bố trong pha hơi là:

𝑦𝑡𝑏2 = 𝑦đ2+𝑦𝑐2

2 = 0,395+0,0142

2 = 0,2046 (kmol/kmol)

Nhiệt độ làm việc trung bình của đoạn chưng sẽ được lấy bằng trung bình cộng nhiệt độ làm việc tại đầu vào và ra của đoạn chưng Nhiệt độ làm việc sẽ được tính theo dòng pha lỏng tại từng vị trí tháp

Ttb2= 𝑇đ2+𝑇𝑐2

Nhiệt độ dòng lỏng vào đoạn chưng chính bằng nhiệt độ sôi của dòng nguyên liệu vào tháp khi hệ thông tháp đã làm việc ổn định, nội suy từ bảng số liệu cân bằng pha [2-146]

Xđ= 0,25 phần mol →Tđ2 = 100,4°C

Nhiệt độ dòng lỏng đi ra khỏi đoạn chưng chính bằng nhiệt độ sôi dòng lỏng đi qua xuống để vào thiết bị đun bay hơi đáy tháp, nội suy từ bảng số liệu cân bằng pha [2-146]

Từ công thức [IX-102/ 2-183], ta tính được khối lượng riêng dòng pha hơi trung bình đi trong đoạn chưng là:

ρʹxtb2:Khối lượng riêng của Toluen tại nhiệt độ làm việc trung bình của đoạn chưng 𝑎𝑡𝑏2: Phần khối lượng trung bình của Benzen trong pha lỏng của đoạn chưng Nồng độ phần khối lượng trung bình của dòng pha lỏng đi trong đoạn chưng của tháp là:

𝑎𝑡𝑏2 =𝑎𝐹+𝑎𝑤

Từ nhiệt độ làm việc trung bình của đoạn chưng là Ttb2 =105,245°C, ta nội suy được khối lượng riêng của Benzen và khối lượng riêng của Toluen [I.2/1-9]

Độ nhớt của chất lỏng sẽ phụ thuộc vào nhiệt độ làm việc, Từ nhiệt độ làm việc trung bình của đoạn luyện là Ttb2 =105,425°C, ta nội suy được độ nhớt của Benzen

Suy ra, độ nhớt của hỗn hợp Benzen Toluen đi ở đoạn luyện là: lg.μhh = xʹtb lgμB + (1-xʹtb ) lgμT

= 0,1306 lg(0,25.10-3 )+(1-0,1306).lg( 0,2605.10-3 ) = -3,587 → μhh = 10−3,587 = 2,588 10−3( Ns/m2 )

3.1.3 Chọn đệm cho tháp chưng luyện

Ở thời điểm hiện tại để thiết kế và chế tạo tháp loại đệm thường chọn các loại đệm từ thế hệ thứ hai trở lên (ví dụ như vòng Pall, đệm Intalox ) vì các loại đệm thế hệ thứ nhất (vòng Rashig, yên ngựa Berl) hiện ít được sử dụng

Để tiện cho việc lựa chọn và ứng dụng đệm, vòng Pall được chấp nhận như loại đệm “chuẩn” Các kết quả tính toán, thiết kế theo vòng Pall thường quá thận trọng (hệ số an toàn cao) so với các loại đệm hiện đại hơn

Đệm được sử dụng trong các tháp thường có kích thước d ≤ 80 mm (từ ½ in đến 3 in) Đệm có kích thước lớn sẽ có năng suất lớn và trở lực thấp, nhưng hiệu suất của quá trình chuyển khối sẽ giảm (chiều cao tương đương với đĩa lý thuyết HETP hoặc chiều cao của đơn vị chuyển khối HTU sẽ tăng lên) Trong trường hợp đường kính của tháp nhỏ nếu sử dụng đệm có kích thước lớn có thể dẫn đến việc phân bố không đồng đều của dòng lỏng [4- 219]

Ta sẽ chọn đệm đổ cho tháp là đệm vòng Pall loại kim loại có đường kính đệm dP=50 mm Các thông số của đệm được thể hiện qua bảng 7.37 [4-236]

+ Đường kính đệm: dp = 50 mm + Yếu tố đệm: FP = 89 m-1

+ Bề mặt riêng: α = 105 m2/m3

+ Thể tích riêng: ε = 0,96 m3/m3

3.2 Tính toán đường kính làm việc của đoạn chưng và đoạn luyện

Có nhiều phương pháp tính toán đường kính tháp chưng luyện theo nhiều tài liệu khác nhau, nhưng chủ yếu các phương pháp đều xoay quanh mối quan hệ giữa trở lực lớp đệm biểu diễn quan hệ giữa lưu lượng dòng lỏng, dòng hơi, tính chất vật lý của hệ và các đặc trưng của đệm với tốc độ khối lượng của dòng hơi tính theo một đơn vị diện tích cắt ngang của tháp Gtb Từ mối quan hệ này ta sẽ tính được vận tốc dòng pha liên tục qua 1 đơn vị bề mặt cắt ngang của tháp Theo phương trình bảo toàn dòng [5- 68], dựa vào năng

suất và tốc độ làm việc tối ưu của dòng pha liên tục, ta sẽ tính được đường kính tối ưu của thiết bị

3.2.1 Tính đường kính của đoạn luyện

Tính toán thông số dòng FLG: thông số dòng với tháp chưng luyện là hệ số đánh giá khoảng làm việc thích hợp với tháp chưng luyện loại đêm [4- 299]

Thông số dòng với đoạn luyện

𝐹𝐿𝐺 = 𝐿𝑡𝑏

𝐺𝑡𝑏 √𝜌𝜌𝐺

𝐿

Trong đó: 𝐿𝑡𝑏: Lượng dòng lỏng trung bình đi trong đoạn luyện

Gtb : Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện

ρG : Khối lượng riêng trung bình của hơi trong đoạn luyện ρL : Khối lượng riêng trung bình của lỏng trong đoạn luyện

Với FP : là yếu tố đệm tính theo đơn vị ft-1

Ở bước trên ta đã tính chọn đệm làm việc là đệm vòng Pall kim loại, có yếu tố đệm FP = 89m-1 = 27,13 ft-1

Thay số ta được:

ΔPS =0,12.𝐹𝑃0,7= 0,12.27,130,7=1,209(inH2O/ft)=1,209.83,31= 100,75(mm/H2O/m)

Trạng thái sặc của tháp đệm sẽ quyết định đường kính nhỏ nhất Dmin của tháp Thông thường tốc độ của dòng pha liên tục đi trong tháp được chọn bằng khoảng 60% đến 80% tốc độ tại điểm sặc [4-298] Với tháp chưng luyện loại đệm đổ lộn xộn ở áp suất khí quyển, trở lực của đệm ΔP=40-85 mm cột H2O/ chiều cao lớp đệm