Thiết kế xây dựng hệ thống chưng luyện benzen – toluen

Do đó xđ = 0,9573 kmol/kmol Khối lượng mol dòng lỏng ở đỉnh là: MA, MB : Khối lượng mol của cấu tử Benzen và Toluen kg/kmol T: Nhiệt độ làm việc trung bình của tháp, hay của đoạn chưng h

1

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 Trong đo, ngành công nghiệp hóa chất – dầu khí đóng 1 vai trò quan trọng, ảnh hưởng lớn đến cách ngành công nghiệp khác

Việc thiết kế và xây dựng một hệ thống thiết bị hoạt động liên tục là một trong những nhiệm vụ của người kỹ sư máy hóa – hóa công Các thiết bị trong ngành công nghiệp hóa chất là các thiết bị siêu trường siêu trọng, làm việc với năng suất lớn trong những điều kiện khắc nghiệt về nhiệt độ và áp suất, với các hóa chất độc hại và có tính ăn mòn, dò gỉ cao Vì vậy công việc của người kỹ sư thiết kế cần phải tính toán – thiết kế tỉ mỉ chi tiết viếc lắp đặt sao cho các module hoạt động ổn định, đồng thời cũng đảm bảo an toàn cho công nhân vận hành, đảm bảo tuổi thọ của thiết bị và an toàn cho môi trường

Đồ án quá trình thiết bị là môn học cơ sở cốt lõi dành cho tất cả các sinh viên viện kỹ thuật hóa học, nhằm cho sinh viên năm bắt được quá trình từ bắt đầu cho tới kết thúc một dự án xây dưng công trình hóa chất – dầu khí, đây cũng là nhiệm vụ của một người kỹ sư

Đồ án này trình bày việc thiết kế cơ sở cho việc thiết kế xây dựng hệ thống chưng luyện Benzen – Toluen

3.3.1 Tính toán các thông số dòng pha 16

3.3.2 Tính toán đường kính làm việc của đoạn chưng và đoạn luyện 25

3.4 Tính toán chiều cao tháp 28

3.4.1 Tính toán chiều cao tương dương với đĩa lý thuyết HETP 29

3.4.2 Các chiều cao bổ sung 32

3.4.3 Chiều cao sơ bộ của tháp 33

3.5 Cân bằng năng lượng trên 33

3.5.1 Cân bằng năng lượng cụm gia nhiệt đầu vào 33

3.5.2 Cân bằng năng lượng cụm đun bay hơi đáy tháp 35

3.5.3 Cân bằng năng lượng cho cụm ngưng tụ đỉnh tháp 36

Chương 4 – Tính toán cơ khí tháp chưng luyện 38

4.1 Tính toán các ống dẫn 38

4.1.1 Cửa dẫn dung dịch vào 38

3

4.1.2 Cửa tháo đáy 40

4.1.3 Ống dẫn dòng lỏng hồi lưu ở đỉnh 41

4.1.4 Cửa hồi lưu dòng hơi ở đáy 43

4.1.5 Cửa dẫn hơi ra khỏi đỉnh tháp 45

4.2 Tính toán các thông số bề dày vỏ thiết bị 46

4.2.1 Bề dày thân tháp 47

4.2.2 Bề dày của nắp ở đáy tháp 51

4.2.3 Bề dày nắp đỉnh tháp 56

4.3 Các kết cấu phân phối lỏng 60

4.4 Các kết cấu phân phối lại lỏng 62

4.5 Tải trọng tháp và thiết kế chân đỡ 63

4.5.1 Tải trọng tĩnh 64

4.5.2 Tải trọng khi thử thủy lực 65

4.5.3 Tải trọng gió 66

4.5.4 Tải trọng do động đất 66

4.5.5 Tính toán cơ cấu đỡ 67

Chương 5: Tính toán thiết bị phụ 69

5.1.Tính toán thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 69

5.1.1 Thông số công nghệ Dòng hỗn hợp đầu: 69

5.2.3 Tính toán cơ khí của thiết bị ngưng tụ đỉnh tháp 90

5.3 Tính toán bơm hỗn hợp đầu 92

5.3.1 Giả thiết 92

5.3.2 Tính toán trở lực ma sát trên đường ống 93

5.3.3 Trở lực cục bộ trên toàn đường ống 98

5.3.4 Tính toán áp suất toàn phần và công suất hữu ích của bơm 101

4

Chương 1: Tổng quan 1.1 Lý thuyết về chưng cất 1.1.1 Khái niệm :

Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của hỗn hợp lỏng cũng như hỗn hợp 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 để 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 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 đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi nhỏ (nhiệt độ sôi lớn)

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

5

1.1.3 Thiết bị chưng cất :

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 hoặc đệm

1.2 Giới thiệu về nguyên liệu

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

6

1.2.1 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

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

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 lim loại chuyển tiếp như Pd, Pt

Thuyết minh về sơ đồ công nghệ: Dòng hỗn hợp đầu từ trong bể chứa sản phẩm 1 được bơm dung dịch đầu 2 bơm qua thiết bị trao đổi nhiệt số 3 để đưa hỗn hộp đầu đến trạng thái lỏng sôi rồi đưa vào tháp chưng luyện Tại tháp chưng luyện, quá trình chuyển 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 được đưa đi ngưng tụ hoàn toàn rồi được chia làm 2 dòng:

- 1 dòng được để làm dòng lỏng hồi lưu đưa trở lại tháp để làm dòng lỏng đi trong tháp chưng luyện

- 1 dòng lấy ra làm sản phẩm đỉnh của quá trình chưng cất dòng này được đưa đi làm lạnh rồi đưa vào bể lưu chữ Benzen

- Dòng lỏng sau khi ra khỏi đáy tháp cũng sẽ được chia làm 2 dòng:

- 1 dòng được lấy ra làm sản phẩm đáy, dòng này có nhiệt độ cao lên cũng sẽ được đưa qua thiết bị làm nguội rồi đưa vào bể chưa Toluen,

- 1 dòng được cho đưa qua biết bị đun bay hơi, dòng hơi được đưa vào tháp để tạo dòng hơi đi trong tháp

Chương 3: Tính toán công nghệ 3.1 Nhiệm vụ thiết kế

Thiết kế và tính toán hệ thống chưng luyện liên tục làm việc ở áp suất thường để tách hỗn hợp hai cấu tử: Benzen-Toluen

• Năng suất thiết bị tính theo hỗn hợp đầu F = 3,4kg/s • P : Lưu lượng sản phẩm đỉnh, kg/s

• W : Lưu lượng sản phẩm đáy, kg/s

• 𝑎𝐹 : nồng độ phần khối lượng hỗn hợp đầu, 𝑎𝐹= 28 % khối lượng • 𝑎𝑃 : nồng độ phần khối lượng sản phẩm đỉnh, 𝑎𝑃= 95 % khối lượng • 𝑎𝑊 : nồng độ phần khối lượng sản phẩm đáy, 𝑎𝑊 = 1,8 % khối lượng • 𝑥𝑃 : nồng độ phần mol sản phẩm đỉnh, phần mol

• 𝑥𝐹 : nồng độ phần mol hỗn hợp đầu, phần mol • 𝑥𝑊 : nồng độ phần mol sản phẩm đáy, phần mol

3.2 Tính toán cân bằng vật chất 3.2.1 Cân bằng vật chất

❖ Chuyển đổi nồng độ khối lượng sang nồng độ phần mol:

Ta có: MB = 78,11 : khối lượng phân tử của Benzen MT = 92,14 : khối lượng phân tử của Toluen Nồng độ mol của Benzen trong hỗn hợp đầu:

Theo phương trình cân bằng vật liệu cho toàn tháp:

Lưu lượng mol hỗn hợp sản phẩm đỉnh:

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

Xác định số đĩa lý thuyết nhỏ nhất NLTmin bằng phương pháp đồ thị Vậy số đĩa lý thuyết nhỏ nhất NLTmin = 8 đĩa

b Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp

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:

Từ đồ thị tìm được giá trị 𝑁𝐿𝑇(R+1) nhỏ nhất tại 𝑅𝑇𝐻 = 3,024 ứng với β= 1,5 Vậy ta tính được chỉ số hồi lưu thích hợp 𝑅𝑇𝐻 = 3,024

c Tính lại cân bằng vật liệu với chỉ số hồi lưu thích hợp

Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn luyện

Y= 𝑅𝑥

𝑅𝑥+1 𝑥 + 𝑋𝑃

𝑅𝑥+1 (II-148)

Trong đó:

y: là nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi đi từ dưới lên X: là nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng chảy từ đĩa xuống

Từ phương trình đoạn chưng và phương trình đoạn luyện trên ta có đồ thị

Vậy có 14 đĩa trong đó có 7 đĩa đoạn chưng và 7 đĩa đoạn luyện

3.3 Tính toán đường kính tháp

3.3.1 Tính toán các thông số dòng pha

❖ Các thông số dòng của đoạn luyện

a Xác định lượng hơi trung bình 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, p 77]

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện tính gần đúng bằng trung bình cộng lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp gđ và lượng hơi đi vào dưới cùng g1 của đoạn luyện :

gtb =𝑔đ+𝑔1

2 , kg/s (IX.91/II-181)

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 ra khỏi tháp ở đĩa trên cùng, 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:

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 (IX.93/II-182) G1y1 = G1x1 + PxP (IX.94/II-182) Trong đó:

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 (kmol/s)

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 và đĩa dưới cùng đoạn luyện:

b 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) [1, p 77]

Lưu lượng mol của dòng lỏng trên đoạn luyện của tháp đã tính được ở trên L1=0,0367 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 = 0,9573 kmol/kmol

Khối lượng mol dòng lỏng ở đỉnh là:

MA, MB : Khối lượng mol của cấu tử Benzen và Toluen (kg/kmol)

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

ytb1: nồng độ phần mol của Benzen (phần mol)

𝑦𝑡𝑏1 =𝑦đ1 + 𝑦đ𝑐 2

yđl , yđc: nồng độ đầu và cuối đoạn luyện ( Phần mol) Nồng độ cấu tử phân bố trong pha hơi là:

𝑦𝑡𝑏1 =𝑦đ1+𝑦đ𝑐

2 =0,4742+0.9573

2 =0,7157 (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 đầu ra của đoạn luyện Nhiệt độ làm việc sẽ được tính theo dòng pha lỏng tại từng vị trí của tháp

𝑇𝑡𝑏1 =𝑇đ1+ 𝑇đ𝑐 2

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, p 146]

𝑋đ = 0,9573 phần mol => 𝑇đ1 = 81,10 oC

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

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

𝜌𝑥𝑡𝑏1, 𝜌𝑥𝑡𝑏2 : khối lượng riêng trung bình của Benzen và Toluen tại nhiệt độ làm việc trung bình của đoạn luyện, kg/m3,

𝑎𝑡𝑏1: phần khối lượng trung bình của cấu tử Benzen trong pha lỏng

Nồng độ phần khối lượng trung bình của dòng pha lỏng đi trong đoạn luyện của

Tra bảng I.2/I-9 và nội suy tại ttb = 89,61°C ta có:

d Độ nhớt hỗn hợp lỏng trong đoạn luyện

Độ nhớt của các hỗn hơp chất lỏng được tính toán theo công thức I.12 sổ tay 1 [3,p.84]

lg 𝜇ℎℎ = x1.lg 𝜇1 +(1-x2).lg 𝜇2+…

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 xtb=0,6359 phần mol, ta nội suy nhiệt độ làm việc của dòng lỏng theo bảng sự phụ thuộc của cân bằng pha và nhiệt độ sôi của hỗn hợp [2, p 146]: xtb = 0,6359 phần mol Ttb=88,47 oC

Nội suy độ nhớt của Benzen theo bảng I.101 [3,p.91]:

❖ Các thông số dòng của đoạn chưng

a 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:

gtb =𝑔đ+𝑔1

2 , kg/s (IX.97/II-182)

Trong đó :

gtb : lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng, kg/s g1 : lượng hơi đi ra đĩa dưới cùng của đoạn chưng, kg/s gđ : lượng hơi đi vào đĩa ở dưới cùng của tháp, kg/s

Lượng hơi đi trong đoạn luyện tính gần đúng bằng trung bình cộng lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp gđ và lượng hơi đi vào dưới cùng g1 của đoạn luyện :

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

𝑔1′ = g1 = 4,177 (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:

𝐿′1 = 𝐺1′ + 𝑊

𝐿′1𝑋1′ = 𝐺1′𝑌1′+ 𝑊𝑋w

Với 𝐺1′: 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)

𝑋1′: nồng độ Benzen trong dòng lỏng ở đoạn chưng (kmol/kmol) 𝑌1′: 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 [1,

Nồng độ phần mol của dòng hơi tại điểm bắt đầu vào đoạn chưng của tháp sẽ đợợc tính bằng số liệu cân bằng pha ứng với nồng độ xw:

𝑌1′ = 𝑌𝑤∗ tra theo bảng nội suy ta được 𝑌1′ = 𝑌𝑤∗ = 0,0519 (%mol) Từ phương trình bảo toàn Benzen trong các dòng pha:

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) [1, p 77]

Lưu lượng mol của dòng lỏng trên đoạn chưng của tháp đã tính được ở trên 𝐿′1=0,07548 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:

MA, MB : 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 oK

ytb2: nồng độ phần mol của cấu tử Benzen (phần mol) 𝑦𝑡𝑏2 =𝑦đ2+𝑦𝑐2

2 (25) 𝑦đ1, 𝑦𝑐1 : nồng độ làm việc tại hai đầu đoạn chưng (phần mol) Với 𝑦đ1 = y’1 = yw = 0.0519 phần mol

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

Ttb2 = 𝑡đ2+𝑡𝑐22

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

Xđ = 0,3145 phần mol => Tđ1 = 98,108 oC

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,

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

𝜌′𝑥𝑡𝑏: khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp lỏng trong đoạn chưng 𝜌′𝑥𝑡𝑏1, 𝜌′𝑥𝑡𝑏2 : khối lượng riêng trung bình của Benzen và 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

Từ nhiệt độ làm việc trung bình của đoạn chưng là Ttb1 = 103,41 oC, ta nội suy được khối lượng riêng của Benzen và khối lượng riêng của Toluen theo bảng I.2, sổ tay quá trinh thiết bị tập 1 [3, p 9]

𝜌𝑥𝑡1 = 788,91 , kg/m3 𝜌𝑥𝑡𝑏2 = 784,25 , kg/m3

Từ đó , ta tính được khối lượng riêng dòng pha lỏng đi trong đoạn chưng theo công thức [IX-104a] [2, p 183]

d Độ nhớt hỗn hợp lỏng trong đoạn luyện

Độ nhớt của các hỗn hợp chất lỏng được tính toán theo công thức I.12 sổ tay 1 [3,

2 = 0,1678 phần mol, ta nội suy nhiệt độ làm việc của dòng lỏng theo bảng sự phụ thuộc của cân bằng pha và nhiệt độ sôi của hỗn hợp [2,

❖ 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, p 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, p 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

3.3.2 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, p 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

3.3.2.1 Tính đường kính 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, p 299]

FLG = 𝐿𝑡𝑏

𝐺𝑡𝑏 √𝑃𝐺 𝑃𝐿 Trong đó:

Ltb: Lượng lỏng trung bình đi trong đoạn luyện Gtb: Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện

PG: Khối lượng riêng trung bình của hơi trong đoạn luyện PL: 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 chọn đệm làm việc là đệm vòng Pall kim loại, có yếu tố đệm FP = 89 m-1= 27,13 ft-1

Thay số ta được:

 Ps = 0,12.𝐹𝑃0,7 = 0,12 27,130,7 = 1,209(inH2O/ft) = 100,75 (mmH2O/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, p 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

Dựa vào hình 7.108 Giản đồ trở lực tổng quát GPDC của hãng Norton Co [4, p 300], ta có thể chọn trở lực lớp lớp đệm là ΔP = 42 mm cột H2O/ chiều cao lớp đệm đã thỏa mãn hướng dẫn thiết kế

Đại lượng K4 là đại lượng thể hiện 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 Đại lượng này được biểu diễn qua công thức 7.148 [4, p 299]

Gm: Tốc độ khối lượng của dòng hơi tính theo một đơn vị diện tích tiết diện ngang của tháp, kg/m2.s

Fp: yếu tố đệm, đặc trưng cho kích thước và loại đệm, m-1 μL: độ nhớt của lỏng, Ns/m2

ρL, ρG: Khối lượng riêng của lỏng và hơi, kg/m3

Từ đồ thị 7.148 [4, p 300], với thông số dòng FLG = 0,0466 và Đường trở lực ΔP=42 mmH2O/m, suy ra K4=1,8 Từ thông số dòng FLG = 0,0466 và Đường đệm sặc,

𝐺𝑚𝑠 = √0,36 = 0,6 (thoả mãn điều kiện tốc độ của dòng pha liên tục đi trong tháp được chọn bằng khoảng 60% đến 80% tốc độ

Quy chuẩn theo bảng số liệu XIII.27 [2,p.421] Dl = 1,2m Thông số dòng với đoạn luyện

3.3.2.2 Tính đường kính đoạn chưng

Tính toán thông số dòng FLG: thông số dòng với đoạn chưng

F’LG = 𝐿′𝑡𝑏

𝐺′𝑡𝑏 √𝑃′𝐺

𝑃′𝐿 [4, p 301]

Trong đó:

L’tb: Lượng lỏng trung bình đi trong đoạn chưng G’tb: Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng

P’G: Khối lượng riêng trung bình của hơi trong đoạn chưng P’L: Khối lượng riêng trung bình của lỏng trong đoạn chưng

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

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

Thay số ta được:

 Ps = 0,12.𝐹𝑃0,7= 0,12 27,130,7 = 1,209(inH2O/ft)

= 100,75 (mmH2O/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, p 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

Dựa vào hình 7.108 Giản đồ trở lực tổng quát GPDC của hãng Norton Co [4, p 300], ta có thể chọn trở lực lớp lớp đệm là ΔP = 42 mm cột H2O/ chiều cao lớp đệm đã thỏa mãn hướng dẫn thiết kế

Đại lượng K4 là đại lượng thể hiện 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 Đại lượng này được biểu diễn qua công thức 7.148 [4, p 299]

Gm: Tốc độ khối lượng của dòng hơi tính theo một đơn vị diện tích tiết diện ngang của tháp, kg/m2.s

Fp: yếu tố đệm, đặc trưng cho kích thước và loại đệm, m-1 μL: độ nhớt của lỏng, Ns/m2

ρL, ρG: Khối lượng riêng của lỏng và hơi, kg/m3

Từ đồ thị 7.148 [4, p 300], với thông số dòng FLG = 0,0946 và Đường trở lực ΔP=42 mmH2O/m, suy ra K4=1,5 Từ thông số dòng FLG = 0,0946 và Đường đệm sặc,

Quy chuẩn theo bảng số liệu XIII.27 [2,p.421] Dl = 1,2m

3.4 Tính toán chiều cao tháp

Chiều cao của tháp chưng luyện được chia ra thành 2 mục là: Chiều cao làm việc của tháp và chiều cao bổ sung

Chiều cao làm việc của tháp chưng luyện thể hiện khả năng phân tách của các cấu tử, với hệ 2 cấu tử lý tưởng và không có điểm đẳng phí, nếu tháp càng cao, khả năng phân tách 2 cấu tử ra khỏi nhau càng tốt Đối với tháp chưng luyện loại đệm thì chiều cao làm việc chính là chiều cao của lớp đệm Còn chiều cao bổ sung của tháp là phần chiều cao của thiết bị để lắp đặt các bộ phận phụ trợ bên trong tháp (bộ phận phân phối lỏng, gom lỏng, phân phối lại lỏng, lưới chặn đệm, đĩa đỡ đệm, không gian trên đỉnh và dưới đáy tháp,…) [4, p 300]

Có nhiều cách tính chiều cao làm việc của tháp chưng luyện, ví dụ như tính chiều cao làm việc của tháp theo phương pháp số đĩa lý thuyết hoặc tính chiều cao làm việc của tháp theo phương pháp số đơn vi chuyển khối… Văn bản dưới đây sẽ trình bày việc tính toán chiều cao tháp theo phương pháp số đĩa lý thuyết

Theo phương pháp số đĩa lý thuyết, chiều cao của 1 tháp chưng luyện loại đệm được tính theo công thức:

Trong đó:

NLT: số đĩa lý thuyết

HETP: Chiều cao tương đương với đĩa lý thuyết

3.4.1 Tính toán chiều cao tương dương với đĩa lý thuyết HETP

❖ HTPE của đoạn luyện và chiều cao làm việc đoạn luyện

Theo công thức Strigle cho quá trình chưng luyện loại đệm ở vùng áp suất khí quyển (300mmHg ÷ 5,5atm):

Ln HETP = nH - 0,187.ln𝜎 + 0,213.ln𝜇L,ft [4, p 253]

Trong đó:

HETP: Chiều cao tương đương với 1 đĩa lý thuyết, ft NH:Giá trị phụ thuộc vào loại đệm cho tháp chưng, ft σ: Sức căng bề mặt của hỗn hợp lỏng, dyn/cm

Thông số nTT là thông số phụ thuốc vào loại đệm ta đã chọn, theo bảng 7.40 [4, p 253] với đệm vòng Pall kim loại, đường kính 50mm thì nH = 1,6584 ft

b Sức căng bề mặt của hỗn hợp ở đoạnn luyện

Sức căng bề mặt của 1 hỗn hợp lỏng sẽ được tính theo công thức I.76 [3, p 299] 1

σℎℎ = 𝑎𝑡𝑏

σ1 + 1−𝑎𝑡𝑏σ2

Trong đó: σ1 và σ2 là sức căng bề mặt của các chất lỏng thành phần trong hỗn hợp ở điều kiện làm việc bao gồm nhiệt độ và áp suất Đã tính toán được ở trên atb1=0,615

Từ đó tính được sức căng bề mặt của hỗn hợp là:

Chọn thiết kế bộ phận phân phối lỏng loại khay đục lỗ [4, p 278] Loại này có khả năng phân phối lỏng tốt, ổng định

Khi tính toán HETP, thường ta sẽ nhân với 1 hệ số an toàn để đảm bảo sản phẩm đầu ra đạt chất lượng mong muốn Với hệ có số đĩa lý thuyết là 14 đĩa thì ta thường lấy hệ số an toàn n =1,2

 HETP tt = n.HETPlt = 1,2.0,7022 = 0,843 (m)

Từ đây ta tính được chiều cao của đoạn luyện của tháp là:

Hluyen = Nltluyen.HETPluyen = 7.0,843 = 5,898 (m)

Ta làm tròn Hluyen = 6 m

❖ HTPE của đoạn chưng và chiều cao làm việc của đoạn chưng

Theo công thức Strigle cho quá trình chưng luyện loại đệm ở vùng áp suất khí quyển (300mmHg ÷ 5,5atm):

Ln HETP = nH - 0,187.ln𝜎 + 0,213.ln𝜇L,ft [4, p 253]

Trong đó:

HETP: Chiều cao tương đương với 1 đĩa lý thuyết, ft NH:Giá trị phụ thuộc vào loại đệm cho tháp chưng, ft σ: Sức căng bề mặt của hỗn hợp lỏng, dyn/cm

μL: độ nhớt của hỗn hợp lỏng, cP

Để sử dụng công thức Strigle, hệ chưng luyện phải thỏa mãn các điều kiện sau

Thông số nTT là thông số phụ thuốc vào loại đệm ta đã chọn, theo bảng 7.40 [4, p 253] với đệm vòng Pall kim loại, đường kính 50mm thì nH = 1,6584 ft

b Sức căng bề mặt của hỗn hợp ở đoạnn luyện

Sức căng bề mặt của 1 hỗn hợp lỏng sẽ được tính theo công thức I.76 [3, p 299] 1

σℎℎ = 𝑎𝑡𝑏

σ1 + 1−𝑎𝑡𝑏 σ2

Trong đó: σ1 và σ2 là sức căng bề mặt của các chất lỏng thành phần trong hỗn hợp ở điều kiện làm việc bao gồm nhiệt độ và áp suất Đã tính toán được ở trên atb2=0,149

Chọn thiết kế bộ phận phân phối lỏng loại khay đục lỗ [4, p 278] Loại này có khả năng phân phối lỏng tốt, ổng định

e Hệ số λ

Hệ số λ là hệ số qua hệ thể hiện đường làm việc vào đường biểu diễn số đơn vị

Khi tính toán HETP, thường ta sẽ nhân với 1 hệ số an toàn để đảm bảo sản phẩm đầu ra đạt chất lượng mong muốn Với hệ có số đĩa lý thuyết là 14 đĩa thì ta thường lấy hệ số an toàn n =1,2

 HETP tt = n.HETPlt = 1,2.0,6935 = 0,8323 (m)

Từ đây ta tính được chiều cao của đoạn luyện của tháp là:

Hchưng = Nltchưng.HETPchưng = 6.0,8323 = 5,826 (m)

Ta làm tròn Hchưng = 6 m

3.4.2 Các chiều cao bổ sung

Chiều cao bổ sung là là phần chiều cao của thiết bị để lắp đặt các bộ phận phụ trợ bên trong tháp (bộ phận phân phối lỏng, gom lỏng, phân phối lại lỏng, lưới chặn đệm, đĩa đỡ đệm, không gian trên đỉnh và dưới đáy tháp,…)

Thông thường các phần chiều cao bổ sung sẽ được chọn sao cho phù hợp với việc tính toán cơ khí cho tháp (sẽ được nhắc đến ở Chương 4)

Các phần chiều cao bổ sung:

H1: Chiều cao từ nắp đến phần đệm đoạn luyện, không gian sẽ chứa bộ phận phân phối lỏng từ đỉnh tháp xuống cho tháp chưng luyện và 1 cửa để đổ đệm cho đoạn luyện, ta chọn H1=1,5m

H2: Chiều cao bổ sung giữa đoạn chưng và đoạn luyện, khoảng chiều cao này dùng để chứa ghi đỡ đệm đoạn luyện bộ phận phân phối lại hơi và lỏng khi đi qua đoạn chưng xuống đoạn luyện và cửa đổ đệm cho đoạn chưng, ta chọn H2=2m

H3: Chiều cao bổ sung ở dưới đáy tháp để chứa ống phân phối hơi từ thiết bị đun sôi đáy tháp đi vào, ta chọn H3=1m

H4: Chiều cao bổ sung do các bộ phân phối lại dòng lỏng Theo các tiêu chuẩn đã công bố, chiều cao lớp đệm không nên vượt quá 20 ft tức là 6m, trong trường hợp chiều cao lớp đệm cao quá 20 ft thì cần chia nhỏ đoạn đệm và giữa các lớp đệm phải đặt bộ phận phân phối lại lỏng [4, p 331] Do chiều cao đoạn luyện ta tính toán và chọn được chiều cao làm việc đoạn luyện là 7m nên ta phải chia đôi đoạn luyện ra và giữa 2 đoạn đệm này có 1 bộ phận phân phối lại lỏng, 1 ghi đỡ đệm và 1 cửa đổ đệm, nên ta chọn H4=2m

Chiều cao nắp đỉnh và nắp đáy: Hđáy và Hđỉnh Chiều cao của 2 nắp này có nhiều tiêu chuẩn thiết kế khác nhau Theo sổ tay quá trình thiết bị tập 2 [2, p 382], với đường kính tháp là 1,2m thì chiều cao nắp đỉnh và nắp đáy Hđáy = Hđỉnh = 0,4m

3.4.3 Chiều cao sơ bộ của tháp

Chiều cao của tháp chưng (chưa tính đến chiều cao cơ khí như chân đỡ, cốt bulong móng, …) sẽ bằng tổng chiều cao làm việc và chiều cao bổ sung cho tháp

HT = Hlv + Hbs = Hchung + Hluyen + H1 + H2 + H3 + H4 + H5 + Hday + Hdinh => HT = 6 + 6 + 1,5 + 2 + 1 + 2 + 0,4 + 0,4 = 19,3 (m)

3.5 Cân bằng năng lượng trên

3.5.1 Cân bằng năng lượng cụm gia nhiệt đầu vào

Hỗn hợp đầu trước khi vào tháp chưng luyện sẽ được đưa qua bộ phận gia nhiệt hỗn hợp đầu để gia nhiệt đến trạng thái lỏng sôi Mục đích của việc tính cân bằng năng lượng của cụm gia nhiệt đầu vào để tính lượng chất tải nhiệt cần cấp để gia nhiệt cho dòng công nghệ đạt được nhiệt độ trước khi vào tháp

Cân bằng nhiệt lượng cho cụm gia nhiệt đầu:

Qvào = Qra  Qhh vào + Qhơi đốt = Qhh ra + Qnước ngưng + Qm Với: Qhh vào: Nhiệt lượng của dòng dung dịch vào,

Qhơi đốt: Nhiệt lượng do dòng hơi đốt cấp vào để gia nhiệt, Qhh ra: Nhiệt lượng của dòng dung dịch ra,

Qnước ngưng: Nhiệt lượng của dòng nước ngưng sau khi trao đổi nhiệt, Qm: Nhiệt lượng mất mát của quá trình

Thông số các dòng

- Dòng nguyên liệu đầu vào: + Lưu lượng: G0 vào = 3,4 kg/s + Nhiệt độ đầu vào: tvào = 20 oC + Nhiệt độ dòng ra: tra = 98,108 oC

+ Nồng độ phần khối lượng của dung dịch đầu vào: aF = 28% (khối lượng)

+ Nhiệt dung riêng: hỗn hợp đầu vào gồm cả Benzen và Toluen nên nhiệt dung riêng của hỗn hợp lỏng đầu vào sẽ được tính theo công thức I.45 sổ tay quá trình thiết bị 1 [3, p 152]

Cp hh = aA CA + aB CB = aACA + (1 – aA) CB Với Cp hh : Nhiệt dung riêng của hỗn hợp

CA: Nhiệt dung riêng của Benzen CB: Nhiệt dung riêng của Toluen

aA, aB: Nồng độ phần khổi lượng của Benzen và Toluen

Do nhiệt độ đầu vào của hỗn hợp đầu vào và hỗn hợp đầu ra chênh lệch quá lớn nên khi tính toán nhiệt lượng ta phải tính giá trị nhiệt dung của hỗn hợp vào và hỗn hợp ra riêng

a Tính toán thông số nhiệt dung riêng vào:

Nội suy theo bảng nhiệt dung riêng của CS2 [3, p 171], tại nhiệt độ đầu vào là 20oC b Tính toán thông số nhiệt dung của hỗn hợp ra

Nội suy theo bảng nhiệt dung riêng của CS2 [3, p 171], tại nhiệt độ đầu vào là Thông số của dòng chất tải nhiệt:

Chọn chất tải nhiệt cho dung dịch đầu vào là hơi nước bão hòa ở áp suất 2at Nội suy các thông số nhiệt động của dòng hơi đốt theo bảng I.250 sổ tay quá trình thiết bị 1 [3, p 313]

• Phơi = 5at

• Th = 151,001 oC

• rh = 2116895,72 J/kg.K

Theo các tài liệu thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt, lượng nhiệt mất mát ta có thể lấy là 5% Nhiệt lượng của dòng hơi đốt cấp vào Theo phương trình cân bằng nhiệt lượng của cụm gia nhiệt hỗn hợp đầu,

Qhh vao + Qhoidot = Qhh ra + Qnuocngung + Qm

 G0.Cp hh vao.Tv + D.Ihđ = G0.CP hh ra.Tr + D.Cnc.𝜃 + 0,05.D.Ihđ

 D = 𝐺0(𝐶𝑝 ℎℎ 𝑟𝑎.𝑇𝑟− 𝐶𝑝 ℎℎ 𝑣à𝑜.𝑇𝑣)

=3,4 (2072,589.98,108 − 1714.20)

3.5.2 Cân bằng năng lượng cụm đun bay hơi đáy tháp

Thiết bị đun bay hơi đáy tháp có nhiệm vụ cấp nhiệt cho dòng dòng lỏng ra khỏi đáy tháp thành hơi để cấp cho tháp chưng Nhiệm vụ của việc tính cân bằng năng lượng cho cụm đun bay hơi đáy tháp là tính toán lượng hơi đốt cần thiết để làm bay hơi hỗn hợp lỏng ở đáy tháp thành hơi để đi trong tháp

Cân bằng nhiệt lượng cho cụm đun bay hơi đáy tháp:

Qvào =Qra  Qhh lỏng vào +Qhơi đốt =Qhơi ra +Qnước ngưng + Qm , Với Qhh lỏng vào: Nhiệt lượng của dòng dung dịch vào,

Qhơi đốt: Nhiệt lượng do dòng hơi đốt cấp vào để gia nhiệt, Qhh hơi ra: Nhiệt lượng của dòng dung dịch ra,

Qnước ngưng: Nhiệt lượng của dòng nước ngưng sau trao đổi nhiệt, Qm: Nhiệt lượng mất mát của quá trình

Thông số của dòng công nghệ:

- Lưu lượng dòng lỏng vào thiết bị đun bay hơi đáy tháp:Gw = 4,4667kg/s - Nhiệt độ dòng lỏng vào: t = 108,712 oC

- Nồng độ phần khối lượng của dòng vào: xW = 1,8 %

Do quá trình cấp nhiệt để đun bay hơi cho dòng công nghệ nên ta quan tâm là nhiệt chuyển pha từ lỏng sang hơi của hỗn hợp hồi lưu đáy (hay còn gọi là nhiệt hóa hơi) Nhiệt hóa hơi của hỗn hợp sẽ được tính tại nhiệt độ dòng lỏng vào thiết bị đun sôi đáy và theo công thức:

Hhh hh = aBHhh B + (1− aB).Hhh T Với: ΔHhh hh: Nhiệt hóa hơi của hỗn hợp

ΔHhh B: Nhiệt hóa hơi của Benzen ΔHhh T: Nhiệt hóa hơi của Toluen

aB: Nồng độ phần khối lượng riêng phần của Benzen

Nội suy nhiệt hóa hơi của Benzen theo bảng I.212 sổ tay quá trình thiết bị 1 [3, p 254], tại nhiệt độ sôi của hỗn hợp là 108,712 oC, thì ΔHhh B = 371701,2 J/kg

Nội suy nhiệt hóa hơi của Toluen theo bảng I.212 sổ tay quá trình thiết bị 1 [3, p 254], tại nhiệt độ sôi của hỗn hợp là 108,712 oC, thì ΔHhh T = 363058,1 J/kg

Theo công thức tính nhiệt hóa hơi của hỗn hợp: Hhh hh = aAHhh A + (1− aA).Hhh B

= 0,018 371701,2 + (1 – 0,018) 363058,1 = 363260,9 J/kg

Thông số của dòng chất tải nhiệt: Chọn chất tải nhiệt cho dòng hồi lưu đáy là hơi nước bão hòa ở áp suất 5at Nội suy các thông số nhiệt động của dòng hơi đốt theo bảng I.250 sổ tay quá trình thiết bị 1 [3, p 313]:

• Phơi = 5at

• Th = 115,001 oC • rh = 2116896 J/kg.K

Theo các tài liệu thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt, lượng nhiệt mất mát ta có thể lấy là 5% Nhiệt lượng của dòng hơi đốt cấp vào Theo phương trình cân bằng nhiệt lượng của cụm đun sôi đáy tháp:

Qhh lỏng vào +Qhơi đốt =Qhơi ra +Qnước ngưng + Qm

 Gw.Cp hh vao.Tv + D.Ihđ = Gw.CP hh ra.Tr + D.Cnc.𝜃 + 0,05.D.Ihđ

0,95.𝑟 =4,4667.363260,9

0,95.2116896 = 0,8068 (kg/s)

3.5.3 Cân bằng năng lượng cho cụm ngưng tụ đỉnh tháp

Dòng hơi sau khi ra khỏi đỉnh tháp sẽ được ngưng tụ hoàn toàn Việc tính toán cân bằng năng lượng cho cụm ngưng tụ đỉnh tháp để tính toán được lượng nước làm làm mát tối thiểu cần thiết để ngưng tụ hoàn toàn lượng hơi đi ra khỏi tháp chưng luyện

Cân bằng nhiệt lượng cho cụm đun bay hơi đáy tháp:

Qvào = Qra  Qhh hơi vào + Qnước vào = Qhh lỏng ra + Qnước ra + Qm , Với Qhh hơi vào: Nhiệt lượng của dòng dung dịch vào,

Qnước vào: Nhiệt lượng do dòng hơi đốt cấp vào để gia nhiệt, Qhh lỏng ra: Nhiệt lượng của dòng dung dịch ra,

Qnước ra: Nhiệt lượng của dòng nước ngưng sau trao đổi nhiệt, Qm: Nhiệt lượng mất mát của quá trình

Thông số của dòng công nghệ:

- Lưu lượng dòng lỏng vào thiết bị đun bay hơi đáy tháp:GP = 3,846 kg/s - Nhiệt độ dòng lỏng vào: t = 81,097 oC

- Nồng độ phần khối lượng của dòng vào: xP = 95% (khối lượng)

Do quá trình lấy nhiệt ra để ngưng tụ hoàn toàn cho dòng công nghệ ra khỏi đỉnh tháp nên ta quan tâm đến nhiệt chuyển pha từ hơi sang lỏng của hỗn hợp hồi lưu đáy (hay còn gọi là nhiệt ngưng tụ) Nhiệt ngưng tụ của hỗn hợp sẽ được tính tại nhiệt độ dòng hơi khi đi vào thiết bị ngưng tụ đỉnh tháp và theo công thức:

H nt hh = aBHnt B + (1− aB).Hnt T Với: ΔHnt hh: Nhiệt ngưng tụ của hỗn hợp

ΔHhh B: Nhiệt ngưng tụ của Benzen ΔHhh T: Nhiệt ngưng tụ của Toluen

aB: Nồng độ phần khối lượng riêng phần của Benzen

Nội suy nhiệt ngưng tụ của Benzen theo bảng I.212 sổ tay quá trình thiết bị 1 [3, p 254], tại nhiệt độ sôi của hỗn hợp là 81,097 oC, thì ΔHhh B = 392755,5 J/kg

Nội suy nhiệt ngưng tụ của Toluen theo bảng I.212 sổ tay quá trình thiết bị 1 [3, p 254], tại nhiệt độ sôi của hỗn hợp là 81,097 oC, thì ΔHhh T = 380112,04 J/kg

Theo công thức tính nhiệt ngưng tụ của hỗn hợp:

Giả thiết chấp nhận rằng nhiệt lượng tổn thất của quá trình truyền nhiệt là 5% Nhiệt lượng do nước làm mát lấy ra nên Qm = Qnước làm mát

Theo phương trình cân bằng nhiệt lượng của cụm ngưng tụ đỉnh tháp: Qhh hoi vào +Qnuocvao =Qhh long ra +Qnước ra + Qm

 Gp.Cp hh vao.Tv + Gn.CP đ.Tđ = GP.CP hh ra.Tr + Gn.CP c.Tc + 0,05 Gn.(CPđ.Tđ - CPc.Tc)

0,95.(𝐶𝑝𝑐.𝑇𝑐− 𝐶𝑝đ.𝑇đ) = 3,846 392123,3

0,95.(4184,58.40−4184,58.20)= 18,9978 (kg/s)

Chương 4 – Tính toán cơ khí tháp chưng luyện 4.1 Tính toán các ống dẫn

Ống dẫn của các thiết bị trong ngành công nghiệp hóa chất là các cửa nối với các thiết bị khác bằng nối ghép tháo được hoặc không tháo được Đối với mối ghép tháo được người ta làm đoạn ống nối, đó là đoạn ống ngắn có mặt bích hay ren để nối với ống dẫn Trong công nghiệp, mối ghép bích thường được lựa chọn do tính dễ tháo nắp và sửa chữa Trong đồ án này, các của nối sẽ được thiết kế theo kiểu nối bích

Đường kính của các ống dẫn và cửa ra vào của thiết bị được xác định qua phương trình lưu lượng, thể hiện qua phương trình VI.41 và VI.42 của sổ tay quá trình thiết bị tập 2 [2, p 74]:

V = 𝜋𝑑

4 𝑤, m3/s

Trong đó: V : Lưu lượng thể tích của lỏng hoặc hơi đi trong ống dẫn, m3/s w : Vận tốc thích hợp của dòng lỏng hoặc hơi đi trong ống, m/s Thường lựa chọn tốc độ như sau [2, p 74]

- Chất lỏng ít nhớt: w = 1  2 m/s - Chất lỏng nhớt: w = 0,5  1 m/s

- Dòng khí hoặc hơi ở áp suất thường: w = 10  20m/s - Hơi nước bão hòa: w = 20  40m/s

- Hơi quá nhiệt : w = 30  50 m/s

4.1.1 Cửa dẫn dung dịch vào

Dung dịch đầu vào được bơm hỗn hợp đầu đưa qua thiết bị gia nhiệt rồi vào trong cửa tiếp liệu vào tháp

Các thông số của dòng:

- Năng suất đầu vào: F=3,4kg/s

- Nồng độ phần mol của Benzen của nguyên liệu vào: 0,3145 %mol - Nhiệt độ của hỗn hợp đầu vào: tF = 98,108 oC

- Nồng độ phần khối lượng của Benzen trong hỗn hợp: aF = 28%

- Khối lượng riêng của hỗn hợp: Khối lượng riêng của hỗn hợp đầu vào được tính theo công thức I.3 [3, p 5 ]

ρB - khối lượng riêng của Benzen tại nhiệt độ của dòng vào tháp chưng, ρT - khối lượng riêng của Toluen tại nhiệt độ của dòng vào tháp chưng, aF - phần khối lượng trung bình của Benzen trong hỗn hợp đầu vào Từ nhiệt độ làm dòng lỏng đi vào tháp là TF = 98,108 oC, ta nội suy được khối lượng riêng của Benzen và khối lượng riêng của Toluen theo bảng I.2, sổ tay quá trình

Chọn vận tốc dòng lỏng chảy trong ống dẫn ở đáy tháp là 0,6 m/s

Từ các thông số đã có, đường kính sơ bộ của ống dẫn hỗn hợp đầu vào được tính toán là:

d1 = √ 𝑉

0,785.𝑤 = √0,785.𝜌.𝑤𝑚 = √ 3,4

0,875.775,4548.0,6 = 0,0965 (m)

Quy chuẩn đường kính ống dẫn theo bảng XIII.26 về quy chuẩn bích liền để nối các bộ phận của thiết bị và ống dẫn [2, p 409], ta chọn đường kính ống dẫn dung dịch vào có

Kích thước nhô ra của ống nối sẽ được quy chuẩn theo bảng XIII.32 [2, p 434]: Với đường kính trong của ống nối là 100mm và áp suất làm việc của thiết bị nhỏ hơn 2,5.106N/m2 thì ta có được kích thước đoạn nối l = 120mm

4.1.2 Cửa tháo đáy

Cửa tháo đáy dùng để tháo hỗn hợp lỏng từ đáy tháp ra rồi chia dòng lỏng làm 2 phần, 1 phần cho qua thiết bị đun sôi đáy tháp và 1 phần lấy làm sản phẩm đỉnh Các thông số của dòng:

- Lưu lượng dòng lỏng ra khỏi đáy tháp: G’W = 6,911 kg/s

- Nồng độ phần mol của Benzen của dòng lỏng ra khỏi đáy: xW = 2,12 %mol, - Nhiệt độ của hỗn hợp ở đáy tháp: tW = 109,63oC

- Nồng độ phần khối lượng của Benzen trong hỗn hợp: aW = 1,8%

- Khối lượng riêng của hỗn hợp: Khối lượng riêng của hỗn hợp được tính theo công

ρB - khối lượng riêng của Benzen tại nhiệt độ của dòng ra khỏi đáy tháp, ρT - khối lượng riêng của Toluen tại nhiệt độ của dòng ra khỏi đáy tháp, aw - phần khối lượng trung bình của Benzen trong hỗn hợp lỏng ra khỏi đáy Từ nhiệt độ làm dòng lỏng đi vào tháp là Tw = 109,63oC, ta nội suy được khối lượng riêng của Benzen và khối lượng riêng của Toluen theo bảng I.2, sổ tay quá trình