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

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 KHOACÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT HÓA HỌC

 -NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN MÔN HỌC MÁY VÀ THIẾT BỊGiáo viên hướng dẫn: TS Phạm Văn Hưng

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:

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCMKHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC – THỰC

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

PHIẾU ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁOVIÊN 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 Tuấn3 MSSV: 201281684 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.HCMKHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC – THỰC

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

PHIẾU ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁOVIÊN 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 Tuấn3 MSSV: 201281684 Tên đề tài: thiết kế tháp chưng cất dạng chóp đĩa (mâm chóp) cho hệ Benzen-Toluen 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

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCMKHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC – THỰC

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

PHIẾU ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁOVIÊN 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 Hằng3 MSSV: 201281098 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

TS Phạm Văn Hưng

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCMKHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC – THỰC

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

PHIẾU ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁOVIÊN 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 Hằng3 MSSV: 201281097 Tên đề tài: thiết kế tháp chưng cất dạng chóp đĩa (mâm chóp) cho hệ Benzen-Toluen 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

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 máy cho đồ án môn học của mình Đầu tiên, chúng em rất trân trọng và gửi lời biết ơn đến giảng 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 những kiến thức còn nhiều thiếu sót của mình, thầy đã không ngừng trao dồi cho chúng em thêm những kiến thức mới và bổ ích, tặng cho chúng em những tài liệu quý giá Cũng chính nhờ sự chỉ dạy tận tình của thầy mà chúng em đã hoàn thành trọn vẹn đồ án của mình 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 giảng viên khoa Công nghệ hóa học và Thực phẩm trường Đại học Sư phạm kỹ thuật thành phố Hồ Chính Minh Cảm ơn các thầy, cô đã giảng dạy cho em nhiều kiến thức vô cùng bổ ích và mang tính thực tế để vận dụng và hoàn thành đồ án của mình Để hoàn thành đồ án một cách tốt nhất phải cần một kiến thức nền vững chắc Và chính những thầy 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 tận tình 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 được nhiều thứ mới mẻ Bằng kiến thức quý báu mà các quý thầy cô đã truyền đạt cho chúng em và bằng sự nổ lực của bản thân chúng em đã hoàn thành đồ án môn học của mình Tuy vậy, kiến thức của chúng em vẫn còn nhiều hạn hẹp, không tránh khỏi những 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!

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 254.1 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

4.7 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

5.1.3 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

5.1.5.4 Bề mặt truyền nhiệt trung bình 108

5.2 Bồn cao vị, bơm nhập liệu 109

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 vụ cung cấp hóa chất công nghiệp cho các ngành sản xuất khác Là chủ chốt trong quá trình công nghiệp hiện đại ngày nay vì bất kỳ ngành nào cũng cần đến Các ngành công nghiệp càng phát triển, càng cần sản phẩm hóa chất có độ tinh khiết của hóa chất cao Hiện nay, người ta thường dùng các phương pháp làm tăng độ tinh khiết của hóa chất trong công nghiệp như: cô đặc, trích ly, chưng cất… Tùy theo tính chất của hỗn hợp 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 độ sôi khác nhau, phương pháp này khá dễ thực hiện và rẻ tiền, vì vậy được ứng dụng nhiều 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 sôi khác nhau (Benzen sôi ở 80oC, Toluene sôi ở 111oC), nhiệt độ sôi của hai cấu tử này chênh 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 trình chưng cất cũng như thiết bị chưng cất Môn học này giúp sinh viên tổng hợp lại những kiến thức đã được học và áp dụng vào quy trình thực tế Tạo điều kiện cho sinh viên làm 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 mâm chóp để chưng cất hỗn hợp Benzen-Toluene

Phạm vi thiết kế đồ án: Tính toán cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng, tính toán thiết 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 hỗn hợpkhí đã hóa lỏng) ra 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 một nhiệt độ, áp suất hơi bão hòa của các cấu tửkhác nhau).

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 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 có độtinh 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 thuộc vào 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 tương ứng với sự thay đổi nồng độ.

Trên mỗi đĩa xảy ra quá trình truyền khối giữa pha lỏng và pha hơi Dẫn đến một phần cấu tử chuyển từ hơi sang lỏng Quá trình bốc hơi và ngưng tụ lặp lại nhiều lần Cuối cùng ở đỉnh tháp ta thu được cấu tử dễ bay hơi tinh khiết nhất có thể và tương tự ở đáy tháp 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 độ sôi rất khác nhau và sản phẩm không đòi hỏi có độ tinh khiết cao Phương pháp này thường 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 các cấu 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 bay hơi, thường được ứng dụng trong trường hợp chất được tách không tan vào nước Ưu điểm của quá trình là giảm được nhiệt độ sôi của hỗn hợp nghĩa là chúng ta có thể chưng ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi bình thường Điều này rất có lợi đối với các chất 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 kém chi phí.

1.1.4 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 lưu chất này vào lưu chất kia Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta có loại tháp mâm, nếu pha lỏng phân tán vào pha khí ta có tháp chêm, tháp phun,…Ở đây, ta khảo sát 2 loại thường dùng là tháp mâm và tháp chêm.

Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có cấu tạo khác nhau, trong đó pha lỏng và pha hơi được cho tiếp xúc với nhau Tùy theo cấu tạo của đĩa, 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 hay hàn Vật chêm được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp sau: xếp ngẫu nhiên có khối lượng riêng gần bằng khối lượng riêng của

-Do có hiệu ứng thành -> khi tăng năng suất thì hiệu ứng thành tăng -> khó tăng năng

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 chảy chuyền Pha hơi đi từ dưới lên qua mỗi mâm bằng cách đi qua các chóp được gắn trên mâm.

Hình 1.1 Tháp chưng cất mâm chóp.

1.2 Tổng quan về sản phẩm

1.2.1 Benzen

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

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, …

thơm ở nhiệt độ cao và có mặt xúc tác như Cr2O3, hay các kim loại chuyển tiếp như 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 xúc tác kim loại chuyển tiếp tạo thành benzen hay các dẫn xuất của benzen.

C6H12 -> C6H6 (xt Pt/Pd)  Đi từ acetylen

1.2.2 Toluene

Là một hợp chất mạch vòng, ở dạng lỏng và tính thơm, công thức phân tử tương tự 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.

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 của xúc tác AlCl3 khan)

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 Benzen-Toluene ở 760 mmHg (Tham khảo STT1)

CHƯƠNG 2: QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ 2.1 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 chuyển vào thiết bị gia nhiệt nhập liệu [4] (thiết bị gia nhiệt ống lồng ống) để gia nhiệt đến nhiệt 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 của tháp 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 dưới nồng độ các cấu tử dễ bay hơi càng giảm vì bị lôi cuốn lên trên bởi pha hơi được tạo thành từ thiết bị đun sôi Càng lên trên nhiệt độ càng giảm, vì vậy các cấu tự khó bay hơi sẽ bị ngưng tụ thành pha lỏng và rơi xuống Cuối cùng trên đỉnh tháp chỉ còn lại cấu 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] và được ngưng tụ hoàn toàn thành pha lỏng và được chứa tại bộ phận phân phối sản phẩm đỉnh [8] Tại đây chất lỏng được chia làm hai phần, một phần được đưa đi hoàn lưu về tháp chưng cất thông qua lưu lượng kế để điều chỉnh lưu lượng thích hợp Phần còn lại được đưa vào thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh [9] và làm nguội tới nhiệt độ khoảng 40oC 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 là Toluene 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] Tại nồi đun sản phẩm đáy được cấp nhiệt từ hơi nước nóng do nồi hơi [12] cung cấp Hơi của 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/h W̅, W: suất lượng nhập liệu sản phẩm đáy tính theo kg/h, kmol/h x̅, 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:

F = D + W

Bảo toàn đối với cấu tử dễ bay hơi: F*xF = D*xD + W*xW

Biểu diễn nồng độ của các dòng nhập liệu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy theo phần mol:

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 = xD− y∗¿F

y∗¿F−xF¿¿ (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 = xD− 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 lưu theo phương trình sau:

min=2.671.82 = 1.47 => nằm trong khoảng

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: + 1 mâm nhập liệu

+ 6 chưng + 5 mâm cất

3.1.1.3 Xác định số mâm thực tế:

Để xác định được số mâm thực tế của tháp ta có nhiều phương pháp, ngoại trừ ảnh hưởng của thiết kế cơ khí tháp ta có thể xác định số mâm thực tế dựa vào hiệu suất trung bình:

Nt = Nltŋtb (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+⋯+ŋnn (công thức IX.60/170, [2])

đĩa đáy, hiệu suất ở đĩa nhập liệu.

Xét tại vị trí mâm nhập liệu:

Tra bảng độ nhớt thay đổi theo nhiệt độ (bảng I.101.Tài liệu tham khảo [2], trang 91) và nội suy giá trị độ nhớt theo nhiệt độ, ta được:

Độ bay hơi tương đối:

Tra bảng độ nhớt thay đổi theo nhiệt độ (Tài liệu tham khảo [2], trang 91) và nội suy giá trị độ nhớt theo nhiệt độ, ta được:

Suy ra: Độ nhớt của hỗn hợp μhh=0.254 cP Độ bay hơi tương đối:

Tra bảng độ nhớt thay đổi theo nhiệt độ (Tài liệu tham khảo [2], trang 91) và nội suy giá trị độ nhớt theo nhiệt độ, ta được:

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, làm lạnh

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

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

HWs=cW× tWs=[xW× cbenzen+(1−xW)×ctoluen]×tWs

¿[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 rh=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.độ Nhiệt lượng cần cung cấp cho thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh: