Đề tài thiết kế tháp chưng cất dạng tháp mâm chóp cho hệ benzen toluene

Chưng cất là quá trình dùng nhiệt để tách hỗn hợp các chất lỏng đồng thể có nhiệt độsôi khác nhau, phương pháp này khá dễ thực hiện và rẻ tiền, vì vậy được ứng dụngnhiều trong ngành công

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM KHOA CÔNG

NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT HÓA HỌC

ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA

Họ và tên sinh viên thực hiện: MSSV:

1 Nguyễn Minh Tuấn 20128168

2 Võ Thị Thúy Hằng 20128109

Ngành: Công nghệ kỹ thuật hóa học

1 Tên đồ án: THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT DẠNG CHÓP ĐĨA

(MÂM CHÓP) CHO HỆ BENZEN-TOLUEN

2 Nhiệm vụ của đồ án: Tính toán cân bằng vật chất, cân bằng năng

lượng, tính toán thiết kế hệ thống, thiết bị chính và phụ

Các số liệu ban đầu

Yêu cầu về phần thuyết minh và tính toán

 Giới thiệu về chưng cất, các phương pháp và thiết bị chưng cất, các

tính chất trong hệ

 Thiết kế và thuyết minh hệ thống chưng cất

 Tính toán cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng của hệ chưng cất

 Tính toán các thông số công nghệ của tháp chưng cất

 Tính cơ khí của tháp chưng cất (bề dày, mặt bích, bulong,…)

 Tính toán và chọn các thiết bị phụ

Yêu cầu về trình bày bản vẽ

 Bản vẽ quy trình công nghệ

 Bản vẽ thiết bị chính

3 Yêu cầu khác: Thực hiện và hoàn thành đồ án đúng tiến độ.

4 Ngày giao nhiệm vụ đồ án:

5 Ngày hoàn thành đồ án: 8/06/2023

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2023

Trưởng bộ môn (Ký và ghi rõ họ tên)

TS Huỳnh Nguyễn Anh Tuấn

Người hướng dẫn(Ký và ghi rõ họ tên)

TS Phạm Văn Hưng

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC – THỰC

PHẨM

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

PHIẾU ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO

VIÊN HƯỚNG DẪN

MÔN HỌC: ĐỒ ÁN MÁY THIẾT BỊ - HỌC KÌ 2 – NĂM HỌC 2022 – 2023

MÃ MÔN HỌC: PWP322703

1 Giáo viên hướng dẫn: TS.Phạm Văn Hưng

2 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Minh Tuấn 3 MSSV: 20128168

4 Tên đề tài: Thiết kế tháp chưng cất dạng chóp đĩa (mâm chóp) cho hệ

1 Xác định được đối tượng và yêu cầu thiết kế 0 – 1,0

2 Lập qui trình công nghệ và tính toán được các chi tiết thiết bị 0 – 2,5

3 Đánh giá được sự phù hợp, điểm mạnh, yếu của thiết kế 0 – 0,75

4 Lập được kế hoạch triển khai thực hiện thiết kế 0 – 0,75

5 Lập được bảng vẽ với phần mềm chuyên dụng 0 – 2,5

6 Hoàn thành thuyết minh thiết kế đầy đủ, chính xác và logic 0 – 1,0

7 Hoành thành trách nhiệm cá nhân trong nhóm 0 – 0,75

8 Thực hiện đúng kế hoạch công việc được GV giao 0 – 0,75

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC – THỰC

PHẨM

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

PHIẾU ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO

VIÊN PHẢN BIỆN

MÔN HỌC: ĐỒ ÁN MÁY THIẾT BỊ - HỌC KÌ 2 – NĂM HỌC 2022 – 2023

MÃ MÔN HỌC: PWP322703

1 Giáo viên phản biện:

2 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Minh Tuấn 3 MSSV: 20128168 4 Tên đề tài: thiết kế tháp chưng cất dạng chóp đĩa (mâm chóp) cho hệ Benzen-Toluen 5 Kết quả đánh giá: STT Nội dung Thang điểm Điểm số 1 Lập qui trình công nghệ và tính toán được các chi tiết thiết bị 0 – 2,5 2 Lập được bảng vẽ với phần mềm chuyên dụng 0 – 2,5 3 Hoàn thành thuyết minh thiết kế đầy đủ, chính xác và logic 0 – 1,0 4 Trình bày được những nội dung cốt lõi của đồ án 0 – 1,0 5 Trả lời được các câu hỏi phản biện 0 – 3,0 TỔNG ĐIỂM (Bằng chữ: ) 10 Ghi chú: GV HƯỚNG DẪN cho điểm lẻ tới 0,25 điểm 6 Các nhận xét khác (nếu có)

Ngày tháng năm 2023

Người phản biện

(Kí và ghi rõ họ tên)

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC – THỰC

PHẨM

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

PHIẾU ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO

VIÊN HƯỚNG DẪN

MÔN HỌC: ĐỒ ÁN MÁY THIẾT BỊ - HỌC KÌ 2 – NĂM HỌC 2022 – 2023

MÃ MÔN HỌC: PWP322703

3 Giáo viên hướng dẫn: TS.Phạm Văn Hưng

4 Sinh viên thực hiện: Võ Thị Thúy Hằng 3 MSSV: 20128109

8 Tên đề tài: Thiết kế tháp chưng cất dạng chóp đĩa (mâm chóp) cho hệ

1 Xác định được đối tượng và yêu cầu thiết kế 0 – 1,0

2 Lập qui trình công nghệ và tính toán được các chi tiết thiết bị 0 – 2,5

3 Đánh giá được sự phù hợp, điểm mạnh, yếu của thiết kế 0 – 0,75

4 Lập được kế hoạch triển khai thực hiện thiết kế 0 – 0,75

5 Lập được bảng vẽ với phần mềm chuyên dụng 0 – 2,5

6 Hoàn thành thuyết minh thiết kế đầy đủ, chính xác và logic 0 – 1,0

7 Hoành thành trách nhiệm cá nhân trong nhóm 0 – 0,75

8 Thực hiện đúng kế hoạch công việc được GV giao 0 – 0,75

11 Kết luận

Được phép bảo vệ: □ Không được bảo vệ: Ngày tháng năm 2023

Người nhận xét

(Kí và ghi rõ họ tên)

TS Phạm Văn Hưng

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC – THỰC

PHẨM

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

PHIẾU ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO

VIÊN PHẢN BIỆN

MÔN HỌC: ĐỒ ÁN MÁY THIẾT BỊ - HỌC KÌ 2 – NĂM HỌC 2022 – 2023

MÃ MÔN HỌC: PWP322703

1 Giáo viên phản biện:

2 Sinh viên thực hiện: Võ Thị Thúy Hằng 3 MSSV: 20128109 7 Tên đề tài: thiết kế tháp chưng cất dạng chóp đĩa (mâm chóp) cho hệ Benzen-Toluen 8 Kết quả đánh giá: STT Nội dung Thang điểm Điểm số 1 Lập qui trình công nghệ và tính toán được các chi tiết thiết bị 0 – 2,5 2 Lập được bảng vẽ với phần mềm chuyên dụng 0 – 2,5 3 Hoàn thành thuyết minh thiết kế đầy đủ, chính xác và logic 0 – 1,0 4 Trình bày được những nội dung cốt lõi của đồ án 0 – 1,0 5 Trả lời được các câu hỏi phản biện 0 – 3,0 TỔNG ĐIỂM (Bằng chữ: ) 10 Ghi chú: GV HƯỚNG DẪN cho điểm lẻ tới 0,25 điểm 9 Các nhận xét khác (nếu có)

Ngày tháng năm 2023

Người phản biện (Kí và ghi rõ họ tên)

LỜI CẢM ƠN

Sau ba tháng thì cuối cùng chúng em cũng đã hoàn thành được nhiệm vụ thiết kế máycho đồ án môn học của mình Đầu tiên, chúng em rất trân trọng và gửi lời biết ơn đếngiảng viên hướng dẫn đồ án nhóm em_thầy Phạm Văn Hưng Thầy đã tận tâm chỉ dạy

và đã đồng hành xuyên suốt với đồ án của chúng em trong ba tháng qua Với nhữngkiến thức còn nhiều thiếu sót của mình, thầy đã không ngừng trao dồi cho chúng emthêm những kiến thức mới và bổ ích, tặng cho chúng em những tài liệu quý giá Cũngchính nhờ sự chỉ dạy tận tình của thầy mà chúng em đã hoàn thành trọn vẹn đồ án củamình đúng thời hạn, một lần nữa xin chân thành cám ơn thầy

Và thêm nữa, chúng em xin được gửi lời cảm ơn trân trọng nhất đến toàn thể giảngviên khoa Công nghệ hóa học và Thực phẩm trường Đại học Sư phạm kỹ thuật thànhphố Hồ Chính Minh Cảm ơn các thầy, cô đã giảng dạy cho em nhiều kiến thức vôcùng bổ ích và mang tính thực tế để vận dụng và hoàn thành đồ án của mình Để hoànthành đồ án một cách tốt nhất phải cần một kiến thức nền vững chắc Và chính nhữngthầy cô giảng viên đã trao cho chúng em vô vàng những kiến thức quý giá trong suốt

ba năm qua một cách nhiệt huyết và tận tình Không có gì quý giá hơn sự chỉ dạy tậntình của các thầy cô Chúng em cảm ơn quý thầy cô rất nhiều

Qua đồ án này, chúng em vận dụng được những kiến thức đã học và học thêm đượcnhiều thứ mới mẻ Bằng kiến thức quý báu mà các quý thầy cô đã truyền đạt chochúng em và bằng sự nổ lực của bản thân chúng em đã hoàn thành đồ án môn học củamình Tuy vậy, kiến thức của chúng em vẫn còn nhiều hạn hẹp, không tránh khỏinhững điều thiếu sót trong đồ án Kính mong quý thầy cô giúp đỡ và góp ý để chúng

em được hoàn thiện hơn

Xin chân thành cảm ơn quý thầy cô!

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC BẢNG v

DANH MỤC HÌNH vi

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CHƯNG CẤT VÀ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 2

1.1 Cơ sở lí thuyết của chưng cất 2

1.1.1 Chưng cất là gì? 2

1.1.2 Nguyên tắc làm việc 2

1.1.3 Các phương pháp chưng cất 3

1.1.4 Thiết bị chưng cất 3

1.1.5 Tháp mâm chóp 4

1.2 Tổng quan về sản phẩm 5

1.2.1 Benzen 5

1.2.1.1 Tính chất vật lí Benzen 5

1.2.1.2 Điều chế Benzen 6

1.2.2 Toluene 6

1.2.2.1 Tính chất vật lí Toluene 6

1.2.2.2 Điều chế Toluene 6

1.2.3 Tổng quan về hệ Benzen-Toluene 7

CHƯƠNG 2: QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ 8

2.1 Sơ đồ quy trình 8

2.2 Thuyết minh quy trình 8

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG 10

Thông số ban đầu 10

3.1 Cân bằng vật chất 11

3.1.1 Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp và số mâm: 12

3.2 Cân bằng năng lượng 19

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TRONG THÁP CHƯNG CẤT 25 4.1 Tính toán đường kính tháp chưng cất 25

4.1.1 Đường kính tháp của đoạn cất 26

4.1.1.1 Lượng hơi trung bình đi trong tháp 26

4.1.2 Đường kính đoạn chưng 30

4.1.2.1 Lượng hơi trung bình đi trong tháp 30

4.1.3 Kết luận 34

4.2 Chiều cao tháp mâm chóp 34

4.3 Mâm chóp-Trở lực mâm chóp 35

4.3.1 Tính toán chóp 35

4.3.2 Tính cho ống chảy chuyền 39

4.3.3 Độ giảm áp 44

4.3.4 Tính bề dày thân tháp 48

4.3.5 Đáy và nắp thiết bị 51

4.3.6 Mặt bích 52

4.7 Tai treo, chân đỡ 57

4.7.1 Tính toán sơ bộ khối lượng của toàn tháp 57

4.7.2 Tính chân đỡ tháp 61

4.7.3 Tính tai treo tháp 62

4.8 Tính lớp cách nhiệt 63

CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ 64

5.1 Thiết bị gia nhiệt 64

5.1.1 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 64

5.1.1.1 Suất lượng nước làm lạnh cần dùng 65

5.1.1.2 Hiệu số nhiệt trung bình logarit 65

5.1.1.3 Hệ số truyền nhiệt K 65

5.1.1.4 Bề mặt truyền nhiệt trung bình 72

5.1.2 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 73

5.1.2.1 Xác định hệ số truyền nhiệt thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 75

5.1.2.3 Hệ số truyền nhiệt K 75

5.1.3 Thiết bị gia nhiệt nhập liệu 83

5.1.3.1 Suất lượng nước cần dùng để làm gia nhiệt dòng nhập liệu 85

5.1.3.2 Hiệu số nhiệt độ trung bình logarit 85

5.1.3.3 Hệ số truyền nhiệt K 85

5.1.4 Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy 91

5.1.4.1 Suất lượng nước cần dùng để làm nguội sản phẩm đáy .93

5.1.4.2 Hiệu số nhiệt độ trung bình logarit 93

5.1.4.3 Hệ số truyền nhiệt K 93

5.1.5 Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy 101

5.1.5.1 Xác định nhiệt độ trung bình ∆ t ln 102

5.1.5.2 Hiệu số nhiệt độ trung bình logarit 102

5.1.5.3 Hệ số truyền nhiệt K 103

5.1.5.4 Bề mặt truyền nhiệt trung bình 108

5.2 Bồn cao vị, bơm nhập liệu 109

5.2.1 Bồn cao vị 109

5.2.1.1 Tổn thất đường ống 109

5.2.1.2 Tổn thất đường ống dẫn từ bồn chứa nguyên liệu đến bồn cao vị 109

5.2.1.3 Tổn thất đường ống dẫn đoạn qua thiết bị đun sôi nhập liệu 113

5.2.1.4 Chiều cao bồn cao vị 117

5.2.2 Bơm 118

5.2.2.1 Năng suất 118

5.2.2.2 Cột áp 119

5.7.3 Công suất 123

KẾT LUẬN 123

Bảng 6: Bảng tổng kết kích thước thiết bị chính 124

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 126

PHỤ LỤC 1: BẢNG TÓM TẮT CÁC KÍ HIỆU 126

PHỤ LỤC 2: TÍNH KHỐI LƯỢNG VẬT TƯ VÀ CHI PHÍ 129

DANH MỤC BẢ

Bảng 1 1: Ưu nhược điểm của các loại tháp chưng cất 4Y

Bảng 3 1: Bảng tổng kết nồng độ các chất 12

Bảng 3 2: Bảng tổng kết cân bằng năng lượng 2 Bảng 4 1: Thông số kích thước bích ghép thân với đáy và nắp 52

Bảng 4 2: Thông số kích thước bích nối các thân 57

Bảng 4 3: Thông số kích thước chân đỡ 61

Bảng 4 4: Thông số kích thước tai treo 6 Bảng 5 1: Kết quả tính toán thiết bị ngưng tụ 73

Bảng 5 2: Kết quả tính toán thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 83

Bảng 5 3: Kết quả tính toán thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu 91

Bảng 5 4: Kết quả tính toán thiết bị làm nguội sản phẩm đáy 101

Bảng 5 5: Kết quả tính toán thiết bị gia nhiệt sản phẩm đáy 109

DANH MỤC HÌN

Hình 1 1: Giản đồ pha cân bằng lỏng-hơi của hệ Benzen-Toluen 7Y

Hình 3 1: Đồ thị cân bằng lỏng-hơi của hai cấu tử 13

Hình 3 2: Đồ thị ngoại suy số mâm lí thuyết 1 Hình 4 1: Mô tả phần mâm hiệu dụng 43

Hình 4 2: Hệ số điều chỉnh cho suất lượng pha khí 44

Hình 4 3: Ứng suất cho phép tiêu chuẩn đối với loại thép chịu nhiệt và chịu axit 49

Hình 4 4: Hình minh hoạ các bích ghép thân 52

Hình 4 5: Hình minh hoạ tai treo tháp 6 Hình 5 1: Nồi đun Kettle 101

MỞ ĐẦU

Ngành công nghiệp hóa chất ngày càng phát triển, và là ngành quan trọng có nhiêm vụcung cấp hóa chất công nghiệp cho các ngành sản xuất khác Là chủ chốt trong quátrình công nghiệp hiện đại ngày nay vì bất kỳ ngành nào cũng cần đến Các ngànhcông nghiệp càng phát triển, càng cần sản phẩm hóa chất có độ tinh khiết của hóa chấtcao Hiện nay, người ta thường dùng các phương pháp làm tăng độ tinh khiết của hóachất trong công nghiệp như: cô đặc, trích ly, chưng cất… Tùy theo tính chất của hỗnhợp hóa chất mà người ta có thể chọn phương pháp thích hợp

Chưng cất là quá trình dùng nhiệt để tách hỗn hợp các chất lỏng đồng thể có nhiệt độsôi khác nhau, phương pháp này khá dễ thực hiện và rẻ tiền, vì vậy được ứng dụngnhiều trong ngành công nghiệp làm tinh khiết hóa chất

Hệ Benzene-Toluene là hệ có hai cấu tử hòa tan hoàn toàn với nhau và có nhiệt độ sôikhác nhau (Benzen sôi ở 80oC, Toluene sôi ở 111oC), nhiệt độ sôi của hai cấu tử nàychênh lệch nhau khá nhiều vì vậy sử dụng phương pháp chưng cất là phương pháp tối

ưu nhất

Và với đồ án môn học quá trình thiết bị sẽ giúp chúng em tìm hiểu sâu về quy trìnhchưng cất cũng như thiết bị chưng cất Môn học này giúp sinh viên tổng hợp lại nhữngkiến thức đã được học và áp dụng vào quy trình thực tế Tạo điều kiện cho sinh viênlàm quen và có kỹ năng với việc tính toán quy trình công nghệ, thông số kỹ thuật thiết

bị và khắc phục các sự cố cũng như tối ưu hóa hệ thống quy trình sản xuất,…mà một

kỹ sư hóa học phải cần có để giải quyết vấn đề trong sản xuất thực tế

Cụ thể đồ án này, nhóm chúng em tìm hiểu và thiết kế về thiết bị chưng cất dạng mâmchóp để chưng cất hỗn hợp Benzen-Toluene

Phạm vi thiết kế đồ án: Tính toán cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng, tính toánthiết kế hệ thống, thiết bị chính và phụ với các thông số đã cho như sau:

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CHƯNG CẤT VÀ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

1.1 Cơ sở lí thuyết của chưng cất

1.1.1 Chưng cất là gì?

Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng (cũng như hỗnhợpkhí đã hóa lỏng) ra thành những cấu tử riêng biệt dựa trên độ bay hơi khác nhaucủa các cấu tử trong hỗn hợp (nghĩa là khi ở cùng một nhiệt độ, áp suất hơi bão hòacủa các cấu tửkhác nhau)

Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu được bấynhiêu sản phẩm Nếu xét hệ đơn giản chỉ hai cấu tử thì ta sẽ thu được 2 sản phẩm:

Đối với hệ Benzen - Toluen:

Do sản phẩm thu được chưa hoàn toàn tinh khiết nên để có thể thu được sản phẩm cóđộtinh khiết cao ta sẽ tiến hành chưng nhiều lần (còn gọi là chưng luyện)

1.1.2 Nguyên tắc làm việc

Pha lỏng đi từ trên xuống theo các cạnh của đĩa hay theo ống chảy chuyền (tuỳ thuộcvào loại đĩa) có nồng độ cấu tử dễ bay hơi giảm dần

Pha khí đi từ dưới lên qua các lỗ của đĩa có nồng độ cấu tử dễ bay hơi tăng dần

Nồng độ các cấu tử thay đổi theo chiều cao của tháp, nhiệt độ sôi cũng thay đổi tươngứng với sự thay đổi nồng độ

Trên mỗi đĩa xảy ra quá trình truyền khối giữa pha lỏng và pha hơi Dẫn đến một phầncấu tử chuyển từ hơi sang lỏng Quá trình bốc hơi và ngưng tụ lặp lại nhiều lần Cuốicùng ở đỉnh tháp ta thu được cấu tử dễ bay hơi tinh khiết nhất có thể và tương tự ở đáytháp ta thu được cấu tử khó bay hơi tinh khiết nhất có thể

1.1.3 Các phương pháp chưng cất

Phương pháp chưng cất đơn giản dùng để tách các hỗn hợp gồm các cấu tử có nhiệt độsôi rất khác nhau và sản phẩm không đòi hỏi có độ tinh khiết cao Phương pháp nàythường được dùng để tách sơ bộ hoặc làm sạch các cấu tử khỏi tạp chất

- Chưng cất phân đoạn: dùng để tách các chất bay hơi ra khỏi một hỗn hợp dựa vào sự

chênh lệch nhiệt độ sôi không nhiều của các chất trong hỗn hợp Sự phân tách các cấu

tử trải qua nhiều lần bay hơi ngưng tụ theo nhiệt độ của từng tỉ lệ thành phần của cáccấu tử trong hỗn hợp

- Chưng bằng hơi nước trực tiếp: là phương pháp sử dụng nguyên liệu ngập hoàn toàn

trong nước, dùng để tách các hỗn hợp gồm các chất khó bay hơi và tạp chất không bayhơi, thường được ứng dụng trong trường hợp chất được tách không tan vào nước Ưuđiểm của quá trình là giảm được nhiệt độ sôi của hỗn hợp nghĩa là chúng ta có thểchưng ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi bình thường Điều này rất có lợi đối với cácchất dễ bị phân huỷ ở nhiệt độ cao cũng như đối với các chất có nhiệt độ sôi quá cao

mà khi chưng gián tiếp đòi hỏi dùng hơi áp suất cao

- Chưng cất lôi cuốn theo hơi nước: dựa trên sự khuếch tán và lôi cuốn theo hơi nước

của những hợp chất hữu cơ khi tiếp xúc với hơi nước ở nhiệt độ cao Hơi quá nhiệt sẽ

đi trực tiếp vào trong nguyên liệu và lôi cuốn tinh dầu có trong nguyên liệu đi theo.Phương pháp chưng cất này cần nồi hơi riêng hoặc bộ phận hóa hơi riêng nên tốn kémchi phí

1.1.4 Thiết bị chưng cất

Trong sản xuất, người ta thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để tiến hành chưngcất Tuy nhiên, yêu cầu cơ bản chung của các thiết bị vẫn giống nhau nghĩa là diện tíchtiếp xúc pha phải lớn Điều này phụ thuộc vào mức độ phân tán của lưu chất này vàolưu chất kia Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta có loại tháp mâm, nếu pha lỏngphân tán vào pha khí ta có tháp chêm, tháp phun,…Ở đây, ta khảo sát 2 loại thườngdùng là tháp mâm và tháp chêm

Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có cấu tạo khácnhau, trong đó pha lỏng và pha hơi được cho tiếp xúc với nhau Tùy theo cấu tạo củađĩa, ta có:

Tháp mâm chóp: trên mâm bố trí có chóp dạng tròn, xuxap, …

Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh

Tháp chêm (tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối với nhau bằng mặt bích hayhàn Vật chêm được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp sau: xếp ngẫu nhiênhay xếp theo thứ tự

có khối lượng riêng gần bằng khối lượng riêng của chất lỏng

-Trở lực tương đối thấp

-Hiệu suất khá cao

-Khá ổn định-Hiệu suất cao

c điểm

-Do có hiệu ứng thành -> khităng 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 thấp

-Tiêu tốn nhìuvật tư, kết cấuphức tạp

Bảng 1 1: Ưu nhược điểm của các loại tháp chưng cất.

Vậy: Qua phân tích trên ta sử dụng tháp mâm chóp để chưng cất hệ Benzen – Toluen.

1.1.5 Tháp mâm chóp

Tháp mâm gồm thân tháp hình trụ, thẳng đứng, bên trong có gắn các mâm mà trên đó

một mâm nào đó thích hợp và chảy xuống nhờ trong lực qua mỗi mâm bằng ống chảychuyền Pha hơi đi từ dưới lên qua mỗi mâm bằng cách đi qua các chóp được gắn trênmâm.

Thông thường các hidrocacbon ít được điều chế trong phòng thí nghiệm, vì có thể thuđược lượng lớn nó bằng phương pháp chưng cất than đá, dầu mỏ, …

thơm ở nhiệt độ cao và có mặt xúc tác như Cr2O3, hay các kim loại chuyển tiếpnhư Pd, Pt, …

CH3(CH2)4CH3 -> C6H6 (xt Cr2O3 / Al2O3)

Các cycloankane có thể bị dehidro hóa ở nhiệt độ cao với sự có mặt của các xúctác kim loại chuyển tiếp tạo thành benzen hay các dẫn xuất của benzen

C6H6 + CH3-Cl  C6H5-CH3 (xt AlCl3)

1.2.3 Tổng quan về hệ Benzen-Toluene

Ta có bảng thành phần lỏng hơi (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Toluene ở 760 mmHg (Tham khảo STT1)

CHƯƠNG 2: QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ2.1 Sơ đồ quy trình

2.2 Thuyết minh quy trình

Tại bồn chứa nguyên liệu [1] chứa hỗn hợp benzene – toluene với nồng độ benzene là

lên bồn cao vị [3] để ổn định lưu lượng Từ bồn cao vị [3], nguyên liệu được chuyểnvào thiết bị gia nhiệt nhập liệu [4] (thiết bị gia nhiệt ống lồng ống) để gia nhiệt đếnnhiệt độ sôi của nhập liệu trước khi đưa vào đĩa nhập liệu Sau khi được gia nhiệt,nguyên liệu đưa đưa vào tháp chưng cất [5] tại đĩa nhập liệu thông qua lưu lượng kế[6] để kiểm soát lưu lượng nhập liệu

Nguyên liệu sau khi vào tháp được trộn lẫn với phần lỏng ngưng tụ từ đoạn cất củatháp chảy xuống Trong tháp có sự tiếp xúc và trao đổi giữa hai pha lỏng và pha khí.Pha lỏng di chuyển từ trên xuống và pha khí di chuyển từ dưới lên Càng xuống dướinồng độ các cấu tử dễ bay hơi càng giảm vì bị lôi cuốn lên trên bởi pha hơi được tạothành từ thiết bị đun sôi Càng lên trên nhiệt độ càng giảm, vì vậy các cấu tự khó bayhơi sẽ bị ngưng tụ thành pha lỏng và rơi xuống Cuối cùng trên đỉnh tháp chỉ còn lạicấu tử dễ bay hơi có nhiệt độ sôi thấp hơn là Benzen chiếm ưu thế với hiệu suất 90%khối lượng Hơi Benzen tiếp theo sẽ đi qua thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh [7] vàđược ngưng tụ hoàn toàn thành pha lỏng và được chứa tại bộ phận phân phối sản phẩmđỉnh [8] Tại đây chất lỏng được chia làm hai phần, một phần được đưa đi hoàn lưu vềtháp chưng cất thông qua lưu lượng kế để điều chỉnh lưu lượng thích hợp Phần còn lạiđược đưa vào thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh [9] và làm nguội tới nhiệt độ khoảng40oC rồi được chứa tại bồn chứa sản phẩm đỉnh [10]

Ở đáy tháp chưng cất, sản phầm đáy là chất lỏng khó bay hơi có nhiệt độ sôi cao làToluene chiếm ưu thế Sản phẩm đáy là hỗn hợp Toluene có nồng độ Benzen là 0.05%khối lượng Sản phẩm đáy sau khi ra khỏi tháp đi vào thiết bị đun sôi nồi đun [11] Tạinồi đun sản phẩm đáy được cấp nhiệt từ hơi nước nóng do nồi hơi [12] cung cấp Hơicủa sản phẩm đáy bốc lên sẽ được hoàn lưu đáy tháp chưng cất để tiếp tục làm việc.Còn phần lỏng ở nồi đun [11] sẽ đến thiết bị làm nguội sản phẩm đáy [13] ( thiết bị

được chứa trong bồn chứa sản phẩm đáy [14]

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG

Chưng cất hỗn hợp Benzen-Toluen

Năng suất nhập liệu F̅ = 1500 kg/h

Trạng thái nhập liệu lỏng sôi ở áp suất thường

Kí hiệu:

F̅, F: suất lượng nhập liệu tính theo kg/h , kmol/h

D̅, D: suất lượng nhập liệu sản phẩm đỉnh tính theo kg/h, kmol/hW̅, W: suất lượng nhập liệu sản phẩm đáy tính theo kg/h, kmol/hx̅, x: phân khối lượng cấu tử, nồng độ mol cấu tử

3.1 Cân bằng vật chất

(Tài liệu tham khảo, trang 144, [1])

Bảo toàn vật chất toàn tháp:

78 +

0.7292

78 +

0.192

78 +

0.9592

= 0.058(%mol)

Khối lượng phân tử trung bình dòng nhập liệu:

(kg/kmol)

Khối lượng phân tử trung bình dòng sản phẩm đỉnh:

Việc lựa chọn chỉ số hồi lưu là rất quan trọng vì khi chỉ số hồi lưu bé thì số bậc của tháp lớn hơn nhưng tiêu tốn hơi đốt ít, ngược lại khi chỉ

số hồi lưu lớn thì số bậc của tháp có ít hơn nhưng tiêu tốn hơi đốt lại

làm việc khi số mâm lí thuyết nhiều vô cùng Do đó cần điều chỉnh

để giảm số mâm, giảm chi phí cho tháp chưng cất

Chỉ số hồi lưu tối thiểu của tháp chưng cất:

Rmin = x D− y∗¿F

y∗¿F−x F¿¿ (Công thức IX.24/158, [2])

Trong đó: trong đó là nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi cân bằng với nồng độ trong pha lỏng của hỗn hợp đầu

Hình 3 1: Đồ thị cân bằng lỏng-hơi của hai cấu tử.

Dựa vào đồ thị cân bằng lỏng-hơi của hai cấu tử Benzen-Toluent tại điểm:

 Rmin = x D− y∗¿F

y∗ x ¿ = 0.914−0.5270.527−0.314 = 1.82

Chỉ số hồi lưu làm việc của tháp chưng cất:

Trong đó: b là hệ số dư

Trong tính toán công nghiệp người ta thường chọn b trong khoảng(1.2-2.5)

Trong tính toán kinh nghiệm người ta chọn xác định chỉ số hồi lưutheo phương trình sau:

[2])

2.67

min=2.671.82 = 1.47 => nằm trong khoảng (1.2-2.5)

Đường nhập liệu Đường chưng

Hình 3 2: Đồ thị ngoại suy số mâm lí thuyết.

Dựa vào đồ thị ta xác định được số mâm lý thuyết là 12 gồm:

mâm thực tế dựa vào hiệu suất trung bình:

Nt = Nlt ŋtb (Công thức IX.59/170, tài liệu tham khảo [2] )

Trong đó:

Ŋtb: hiệu suất trung bình của thiết bị

Với ŋtb = ŋ1+ ŋ2+ŋ 3+⋯+ŋn n (công thức IX.60/170, [2])

đĩa đáy, hiệu suất ở đĩa nhập liệu

Xét tại vị trí mâm nhập liệu:

Độ bay hơi tương đối:

Suy ra: Độ nhớt của hỗn hợp μhh=0.254 cP

Độ bay hơi tương đối:

lgμ = 0.914*log(0.311) + (1-0.914)*log(0.314)

Độ bay hơi tương đối:

Vậy số mâm thực tế cần là:

+ 10 mâm cất

+ 12 mâm chưng

+ 1 mâm nhập liệu

3.2 Cân bằng năng lượng.

Mục đích tính cân bằng nhiệt lượng là để xác định lượng hơi đốt cần thiết khi đun nóng hỗn hợp để đưa vào đĩa tiếp liệu và lượng hơi đáy tháp cũng như lượng nước lạnh cần thiết cho quá trình ngưng tụ, làmlạnh

Tra bảng I.249 trang 310 tài liệu tham khảo [1], nội suy các giá trị ta được:

Tra bảng I.249 trang 310 tài liệu tham khảo [1], nội suy các giá trị ta được:

H Ws=c W × t Ws=[x W × c benzen+(1−x W)×c toluen]×t Ws

¿[0.058 ×2.144+ (1−0.058) ×2.094]× 107.94=226.34 kJ /kg

Nhiệt hóa hơi.

Tra bảng I.212 trang 254, tài liệu tham khảo [1], nội suy giá trị ta được:

Nhiệt hóa hóa của benzen ở 82oC (đỉnh): rbenzen = 392.09 kJ/kg

Nhiệt hóa hóa của toluen ở 82oC (đỉnh): rtoluen = 377.48 kJ/kg

Tra bảng I.251, trang 314, tài liệu tham khảo [1]

Nhiệt hóa hơi của nước ở áp suất 2 at là r h=2208 kJ /kg

Cân bằng năng lượng cho thiết bị ngưng tụ:

Ngưng tụ hồi lưu hoàn toàn

oC (nhiệt độ trung bình của nước làm lạnh)

Cn là nhiệt dung riêng của nước làm lạnh tại ttb

Tra bảng I.249, trang 310, [1]

Nhiệt dung riêng của nước ở 35oC là Cn = 4,178 kJ/kg.độ

Lượng nước cần dùng để ngưng tụ sản phẩm đỉnh là:

Nhiệt lượng tỏa ra khi dòng hơi sản phẩm đỉnh ngưng tụ:

QC = D´ × (R + 1) × rD = 405.52 × (2.67 + 1) × 390.83= 581656.03 (kJ/h)

(công thức IX.161, trang 198,[2])

Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh

Phương trình cân bằng năng lượng:

oC (nhiệt độ trung bình của nước làm lạnh)

Cn là nhiệt dung riêng của nước làm lạnh tại ttb

Tra bảng I.249, trang 310, [1]

Nhiệt dung riêng của nước ở 35oC là Cn = 4,178 kJ/kg.độ

 Nhiệt độ sản phẩm đỉnh ra 40oC

Suy ra: ttb = 61oC

Tra bảng I.153, trang 171, [1].

 Nhiệt dung riêng của benzen ở 61oC: 1935.25 (J/kg.oC)

 Nhiệt dung riêng của toluen ở 61oC: 1904 (J/kg.oC)

CD: Nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ

Nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh ở 61oC:

CD =x´D × CB + (1 - x´D¿× CT = 0,90× 1.935 + (1 - 0,90) × 1.904 = 1.932 kJ/kg.độNhiệt lượng cần cung cấp cho thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh: