Thiết kế hệ thống chưng cất hỗn hợp acetone – chlorobenzene sử dụng tháp mâm chóp

Trang 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

Trang 2

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM

-oOo -NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN MÔN HỌC MÁY VÀ THIẾT BỊ Giáo viên hướng dẫn: TS Hồ Phương

- Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng.- Tính toán thiết kế hệ thống, thiết bị chính và thiết bị phụ.3.Các số liệu ban đầu:

- Năng suất nhập liệu: 5000

kg h

- Nồng độ nhập liệu: 10% acetone (tính theo tỉ lệ mol).- Nồng độ sản phẩm đỉnh: 98% mol theo acetone.- Tỉ lệ thu hồi acetone: 98%.

4.Yêu cầu về phần thuyết minh và tính toán:

- Giới thiệu về chưng cất, thiết bị chưng cất, các tính chất của nguyên liệu.- Chọn và thuyết minh quy trình công nghệ hệ thống chưng cất.

- Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng của hệ chưng cất.- Tính toán các thông số công nghệ của tháp chưng cất.

- Tính toán cơ khí của tháp chưng cất.- Tính toán và chọn các thiết bị phụ.- Tính toán giá thành thiết bị.

5.Yêu cầu về trình bày bản vẽ

Trang 3

8.Ngày hoàn thành đồ án: ngày 7 tháng 6 năm 2023

Giảng viên hướng dẫn

TS Huỳnh Nguyễn Anh TuấnTS Hồ Phương

Trang 4

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINHKHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC – THỰC PHẨM

-PHIẾU ĐÁNH GIÁ CỦAGIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

MÔN HỌC: ĐỒ THIẾT KẾ MÁY THIẾT BỊ - HỌC KỲ 2 – NĂM HỌC 2022 – 2023MÃ MÔN HỌC: PWPD322703

1 GVHD: TS Hồ Phương

4 Tên đề tài: Thiết kế hệ thống chưng cất hỗn hợp acetone – chlorobenzene sử

dụng tháp mâm chóp.

5 Kết quả đánh giá

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

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

Trang 5

-PHIẾU ĐÁNH GIÁ CỦAGIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

1 GVHD: TS Hồ Phương

dụng tháp mâm chóp.

5 Kết quả đánh giá

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

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

Trang 6

-PHIẾU ĐÁNH GIÁ CỦAGIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

1 GVPB:

Trang 7

-PHIẾU ĐÁNH GIÁ CỦAGIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

1 GVPB:

Trang 8

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên em xin cảm ơn các quý thầy cô, bạn bè những người đã đồng hành và hỗ trợ tụi em trong khoảng thời gian vừa qua Em xin gửi đến cô Hồ Phương một lời cảm ơn đặt biệt dành cho cô, một người cô đã đồng hành cùng chúng em trong suốt khoảng thời gian khó khăn vừa qua Cô đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ chúng em rất nhiều để có thể hoàn thành đồ án thiết bị máy hóa chất một cách tốt nhất Bên cạnh đó chúng em cũng lời cảm ơn đến các quý thầy cô trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh nói chung và thầy cô khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm nói riêng đã giảng dạy, cung cấp những kiến thức vô cùng quý báu ở các môn cơ sở ngành cũng như các môn chuyên ngành và những kiến thức liên quan để chúng em có thể hoàn thành bài Đồ án Máy - Thiết bị lần này.

Ở môn đồ án thiết bị máy hóa chất này đây là lần đầu tiên tụi em tiếp xúc và hoàn thành, bởi vậy cũng không thể nào tránh khỏi những thiếu sót do chúng em chưa có kinh nghiệm thực tế cũng như khả năng làm việc còn hạn chế vì vậy không thể phân tích đánh giá một cách hoàn chỉnh, một cách tối ưu nhất Tuy nhiên với sự hướng dẫn tận tình đầy đủ của cô mà từ đó chúng em có thêm nhiều kiến thức mới cũng như là cách nhìn mới hơn về vấn đề, cùng với những kinh nghiệm quý báu và tư cách là người đi trước của cô mà nhờ đó mà tụi em đã tiến bộ rất nhiều trong việc phân tích đánh giá một cách khách quan nhất, một cách đầy đủ nhất về một thiết bị công nghiệp Cuối cùng, chúng em thật sự mong muốn các giáo viên phản biện cũng như cô Hồ Phương có thể góp ý và nhận xét một cách công tâm nhất, để chúng em có thể hoàn thành môn Đồ án Máy - Thiết bị một cách tốt nhất, trưởng thành hơn qua từng môn học

i

Trang 9

MỤC LỤC

1.1 Tổng quan lý thuyết chưng cất 2

1.2 Tổng quan về thiết bị chưng cất 3

1.3 Tổng quan về hệ cân bằng acetone – chlorobenzene 4

1.3.1 Acetone 4

1.3.2 Chlorobenzene 5

1.3.3 Giản đồ thành phần hỗn hợp các cấu tử trong hệ acetone - chlorobenzene .6 2.1 Bản vẽ sơ đồ quy trình công nghệ 8

2.2 Thuyết minh quy trình 9

3.6 Cân bằng năng lượng 19

3.6.1 Năng lượng trao đổi ở thiết bị ngưng tụ 19

3.6.2 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 20

3.6.3 Cân bằng năng lượng cho thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu đến nhiệt độ sôi 21

3.6.4 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đáy 22

3.6.5 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị nồi đun 23

CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

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

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP CHƯNG CẤT

Trang 10

4.1.2 Đường kính đoạn chưng 31

4.1.3 Kết luận 35

4.1.4 Chiều cao tháp mâm chóp 35

4.1.5 Chiều cao toàn tháp mâm chóp 36

4.5 Tai treo, giá đỡ 58

4.5.1 Tính sơ bộ khối lượng toàn tháp 58

4.5.2 Tính chân đỡ tháp 61

4.5.3 Tính tai treo tháp 62

5.1 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 63

5.2 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 70

5.3 Thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu đến nhiệt độ sôi 76

5.4 Thiết bị làm nguội dòng sản phẩm đáy 83

5.5 Nồi đun gia nhiệt sản phẩm gia nhiệt sản phẩm đáy 88

5.5.1 Suất lượng hơi nước cần dùng 89

5.5.2 Xác định bề mặt truyền nhiệt 89

5.6 Bồn cao vị 94

5.6.1 Bồn cao vị 94

5.6.1.1 Tổn thất đường ống dẫn đoạn qua thiết bị đun sôi nhập liệu: 94

5.6.1.2 Tổn thất dung dịch khi đi qua thiết bị trao đổi nhiệt: 96

5.6.1.3 Tổn thất đường ống dẫn từ thiết bị gia nhiệt qua tháp: 98

5.6.1.4 Chiều cao bồn cao vị 100

5.7 Bơm 101

5.7.1.1 Bơm nhập liệu 101

iii CHƯƠNG 5: THIẾT BỊ PHỤ

Trang 11

5.7.1.2 Bơm hoàn lưu 105

6.1 Khối lượng thép X18H10T trong tháp chưng cất: 110

Trang 12

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: Công thức cấu tạo và các thông số vật lý của acetone 4

Bảng 1.2: Công thức cấu tạo và các thông số vật lý của chlorobenzene 5

Bảng 1.3: Thành phần tỷ lệ cân bằng lỏng hơi của các cấu tử trong hệ acetone –

Trang 13

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Giản đồ tỉ lệ lỏng – hơi của hệ acetone – chlorobenzene theo nhiệt độ 6

Hình 1.2: Giản đồ tỉ lệ acetone trong pha lỏng theo tỉ lệ phần trăm mol acetone trong pha hơi của hệ acetone – chlorobenzene 7

Hình 3.1: Đồ thị ngoại suy số mâm chưng cất theo lý thuyết 15

Hình 4.1: Mô hình phần mâm hiệu dụng 43

Hình 4.2: Hình mặt bích thiết bị 51

Hình 4.3: Hình ảnh minh họa bích nối các ống dẫn 57

Hình 4.4: Hình minh họa chân đỡ thiết bị đặt thẳng đứng 61

Hình 4.5: Hình ảnh minh họa chân đỡ thiết bị 62

Hình 5.1 Hình minh họa về cấu tạo thiết bị bình ngưng ống chùm nằm ngang 63

LỜI MỞ ĐẦU

Hóa học luôn là một lĩnh vực luôn luôn tồn tại và không ngừng phát triển vì vậy mà ngành công nghiệp hóa học càng ngày càng phát triển không chỉ có trong nước mà trên toàn thế giới và đặc biệt là ngành công nghiệp hóa chất Bên cạnh đó nhu cầu sử dụng hóa chất ngày càng cao và yêu cầu về hóa chất ngày càng nghiêm ngặt phải phù hợp với mục đích sử dụng và các quy trình sản xuất ngày càng phức tạp.

Nắm bắt được điều này mà khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã không ngừng nỗ lực để có thể đào tạo ra các kỹ sư chuyên ngành Hóa được trang bị kiến thức vững chắc cọ xát vào thực tế để có thể đáp ứng và phù hợp các nhu cầu xã hội.

Môn Đồ án Máy – Thiết bị là một trong những môn học quan trọng mang tính tổng hợp các kiến thức đã được học trong quá trình học tập Môn học này giúp sinh viên có thể hiểu được cách tính toán và đánh giá các yêu cầu về công nghệ, kết cấu, giá thành của một thiết bị trong sản xuất Đây là một môn học quan trọng giúp sinh viên có thể cọ xát thực tế, từ đó tìm kiếm thông tin cách giải quyết tính toán một cách cụ thể.

Trang 14

Nhiệm vụ của chúng em trong môn học này là: Thiết kế hệ thống chưng cất hỗn hợp acetone – chlorobenzene sử dụng tháp mâm chóp Với các thông số ban đầu như: năng

98% mol theo acetone, tỷ lệ thu hồi acetone đạt 98%.

Trang 15

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan lý thuyết chưng cất

Chưng cất là quá trình sử dụng để tách các cấu tử trong một hỗn hợp chất lỏng cũng như hỗn hợp khí - lỏng, khí đã hóa lỏng, thành các phần tử riêng biệt quá trình này dựa vào độ bay hơi khác nhau giữa các cấu tử trong hỗn hợp Lưu ý ta đang xét trong cùng một nhiệt độ, áp suất hơi bão hòa của các cấu tử khác nhau trong hỗn hợp Khi chưng cất ta sẽ thu được nhiều sản phẩm và thường thì trong hỗn hợp có bao nhiêu cấu tử sẽ thu được số sản phẩm tương ứng Trong đề tài với hệ acetone và chlorobenzene ta chỉ xét đến trường hợp hai cấu tử, khi đó quá trình chưng cất sẽ mang lại kết quả đó là ở sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm phần tử acetone và rất ít cấu tử chlorobenzene Ngược lại ở sản phẩm đáy chủ yếu là cấu tử chlorobenzene và rất ít acetone.

Có nhiều phương pháp chưng cất khác nhau tùy theo điều kiện của các cấu tử trong hỗn hợp Trong thực tế người ta sử dụng các phương pháp chưng cất sau đây:

- Chưng cất đơn giản: Được dùng để tách các hỗn hợp có các cấu tử có nhiệt độ sôi 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 được sử dụng rộng rãi được ưa 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.

- 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.

Trang 16

1.2 Tổng quan về thiết bị chưng cất

Hiện nay trong sản xuất để có thể tiến hành quá trình chưng cất cần kết hợp nhiều thiết bị khác nhau Tuy nhiên giữa các thiết bị đều có các yêu cầu cơ bản đó là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều này phụ thuộc vào độ phân tán của lưu chất này vào lưu chất kia Bên cạnh đó, tháp chưng cất cũng đa dạng có rất nhiều loại với kích thước và công dụng khác nhau Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta có các loại tháp mâm, nếu pha lỏng phân tán vào pha khí ta có tháp chêm, tháp phun Chúng ta chỉ khảo xát hai loại tháp thường được sử dụng là tháp mâm và tháp chêm.

Tháp mâm gồm thân tháp có hình trụ thẳng đứng bên trong có các mâm có cấu tạo khác nhau trên đó pha lỏng và pha hơi được tiếp xúc với nhau Tuy nhiên quá trình chung cả tháp được xem là tiếp xúc pha nghịch dòng mặc dù trên mỗi mâm tiếp xúc pha giao dòng Trong tháp mâm này gồm có hai loại là tháp mâm chóp đối với loại tháp này mặc dù hiệu suất của quá trình cao, và độ hoạt động ổn định tốt, và đồng thời lại tiêu tốn ít năng lượng, tuy nhiên lại có cấu tạo phức tạp đồng thời tiêu tốn nhiều vật tư, có trở lực lớn và đặc biệt yêu cầu đầu vào chất lượng cao không thể làm việc với chất lỏng bẩn Đối với tháp mâm xuyên lỗ có hiệu suất cao, độ hoạt động tương đối ổn định, tuy nhiên lại thấp hơn tháp mâm chóp, đồng thời nó cũng có những hạn chế đó là yêu cầu đầu vào cao cũng như không làm việc với chất lỏng bẩn, yêu cầu độ lắp đặt phức tạp.

Tháp chêm là một tháp hình trụ gồm nhiều bậc nối với nhau bằng mặt bích hay hàn vật chêm được đỏ đầy vào tháp theo một trong hai phương pháp đó là xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự yêu cầu chung của các loại vật chêm đó là phải có diện tích bề mặt lớn và độ rỗng lớn để có thể giảm trở lực của pha khí, và vật liệu để làm vật chêm phải bền hóa học và có khối lượng riêng nhỏ Tuy nhiên trong thực tế không có vật chêm nào có thể đạt được toàn bộ đã nêu nên tùy trường hợp mà ta lựa chọn vật chêm cho phù hợp Chất lỏng được phân phối ở đỉnh tháp qua bộ phận phân phối lỏng sao cho chất lỏng phải thấm ướt hoàn toàn vật chêm Đối với loại tháp này tuy có cấu tạo đơn giản, độ trở lực thấp nhưng lại có hiệu suất truyền khối thấp, khó tăng năng suất, đồng thời độ ổn định kém khối vận hành và thiết bị nặng nhưng lại có thể làm việc với chất lỏng bẩn.

ix

Trang 17

Dựa vào các tính chất cũng như hiệu quả của từng loại tháp, ta thấy rằng với hệ acetone - chlorobenzene hoàn toàn phù hợp với thấp mâm chóp để có thể thực hiện chưng cất với độ ổn định và hiệu suất cao.

1.3 Tổng quan về hệ cân bằng acetone – chlorobenzene

1.3.1 Acetone

Acetone công thức phân tử là C3H6O,công thức cấu tạo và các tính thông số vật lý

được thể hiện ở bảng 1.1, là một chất lỏng dễ cháy, không màu và là dạng ketone đơn

giản nhất Acetone tan trong nước và là dung môi chủ yếu dùng để làm sạch phòng thí nghiệm, đồng thời là một chất dùng để tổng hợp các chất hữu cơ và còn được sử dụng trong các thành phần hoạt chất của nước sơn móng tay.

Bảng 1.1: Công thức cấu tạo và các thông số vật lý của acetone.

Trước đây, acetone được sản xuất bằng cách chưng cất acetate, ví dụ như calci acetate ở phản ứng khử carboxyl Ngày nay acetone được sản xuất trực tiếp hoặc gián tiếp từ propene Sản xuất trực tiếp bằng cách oxy hóa hay hydro hóa propene, sinh ra 2 – propanol (isopropanol) và khi oxy hóa isopropanol sẽ được acetone Đôi khi dung môi acetone được sản xuất dưới dạng sản phẩm phụ của công nghiệp chưng cất.

Acetone có khả năng hòa tan nhiều chất hữu cơ và cũng dễ dàng được giải phóng ra khỏi các dung dịch đó (do nhiệt độ sôi thấp) nên được dùng làm dung môi trong sản xuất nhiều loại hóa chất, kể cả một số polymer Bên cạnh đó còn được ứng dụng nhiều làm dung môi hữu cơ trong công nghiệp (ví dụ cho vào vecni, sơn mài, cellulose acetate, nhựa, cao su…) Nó hòa tan tốt tơ acetate, nitrocellulose, nhựa phenol -formaldehyde, chất béo, dung môi pha sơn, mực in ống đồng Acetone là nguyên liệu để tổng hợp thủy tinh hữa cơ Từ acetone có thể tổng hợp cetene, sulfonate (thuốc

Trang 18

quản thực phẩm và là thành phần tá dược trong các loại thuốc chữa bệnh Ngoài ra, acetone được kết hợp với các hợp chất khác để lột da chết, da khô.

1.3.2 Chlorobenzene

Chlorobenzene là một chất hữu cơ thơm có công thức hóa học là C6H5Cl,là chất lỏng không màu dễ cháy là một dung môi thông thường và được sử dụng rộng rãi trong quá trình sản xuất các hóa chất Các thống số vật lý và công thức cấu tạo của

chlorobenzene được thể hiện qua bảng 1.2.

Bảng 1.2: Công thức cấu tạo và các thông số vật lý của chlorobenzene.

Chlorobenzene được sản xuất bằng cách chlorine hóa benzene với sự có mặt của một acid Lewis làm xúc tác, như iron (III) chloride, sulfur dichloride, và aluminium chloride: Chất xúc tác làm tăng mức độ ái điện tử của chất chlor Vì chlorine có độ điện âm, C6H5Cl giảm mức độ phản ứng đối với việc chlorine hoá thêm nữa Về công nghiệp, phản ứng được tiến hành như một quá trình liên tục để giảm thiểu sự hình thành các dichlorobenzene Trong phòng thí nghiệm chlorobenzene có thể được sản xuất từ aniline thông qua benzenediazonium chloride, phương pháp này được gọi là phản ứng Sandmeyer.

Chlorobenzene là chất trung gian trong sản xuất các hàng hóa như thuốc diệt cỏ, thuốc nhuộm Nó được sử dụng làm dung môi, chất tẩy nhờn và phục vụ như một nguyên liệu thô để sản xuất nhiều hợp chất rất hữu ích Chlorobenzene được sử dụng trong quá trình tổng hợp thuốc trừ sâu DDT, hiện đang bị vô hiệu hóa do độc tính của nó đối với con người Mặc dù ở mức độ thấp hơn, chlorobenzene được sử dụng trong quá trình tổng hợp phenol, một hợp chất có tác dụng diệt nấm, diệt khuẩn, diệt côn trùng, khử trùng và cũng được sử dụng trong sản xuất hóa chất nông nghiệp, cũng như trong quá trình sản xuất axit acetylsalicylic…, can thiệp vào việc sản xuất diisocyanate, chất tẩy

xi

Trang 19

dầu mỡ của phụ tùng ô tô Ngoài ra còn được sử dụng như một dung môi có nhiệt độ sôi cao trong nhiều ứng dụng công nghiệp cũng như trong phòng thí nghiệm.

1.3.3 Giản đồ thành phần hỗn hợp các cấu tử trong hệ acetone - chlorobenzene

Thành phần cân bằng lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp hai cấu tử acetone

- chlorobenzene ở 760 mmHg (%mol):[CITATION Ngu06 \l 1033 ]

Bảng 1.3: Thành phần tỷ lệ cân bằng lỏng hơi của các cấu tử trong hệ acetone –

Trang 20

Hình 1.2: Giản đồ tỉ lệ acetone trong pha lỏng theo tỉ lệ phần trăm mol acetone trong pha hơi của hệ acetone – chlorobenzene.

xiii

Trang 21

CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

2.1 Bản vẽ sơ đồ quy trình công nghệ

Trang 22

2.2 Thuyết minh quy trình

Đề tài nhóm chúng em nhận được trong môn đồ án lần này là thiết kế tháp chưng cất hỗn hợp acetone - chlorobenzene có nồng độ nhập liệu là 10% tính theo phần mol acetone.

Với đề tài này yêu cầu thu được sản phẩm đỉnh là acetone với độ tinh khiết 0,98 phần mol theo acetone, sản phẩm đáy là chlorobenzene và tỷ lệ thua hồi acetone là 98% Trong quy trình có một bồn chứa nguyên liệu (số 8) với nhiệt độ là 30 Co , hệ thống bơm (số 7) chuyển hỗn hợp lên bồn cao vị (số 9) với mục đích để ổn định lưu lượng dòng nhập liệu Tiếp theo hỗn hợp được đưa qua thiết bị gia nhiệt, ở đây một thiết bị ống lồng ống (số 2) gia nhiệt bằng hơi nước bão hòa được lắp đặt để có thể chuyển hỗn hợp nhập liệu sang trạng thái lỏng sôi 107 Co Tuy nhiên, để đảm bảo an toàn cho tháp hoạt động, một lưu lượng kế (số 12) là cân thiết để có thể kiểm soát được lưu lượng dòng nhập liệu Tiếp theo đó, hỗn hợp chưng cất sẽ được đưa vào tháp chưng cất ở vị trí mâm nhập liệu mà ta đã tính toán từ trước (mâm thứ 13) và bắt đầu quá trình chưng cất.

Tại vị trí mâm nhập liệu, dòng nhập liệu sẽ được hòa trộn hoàn toàn với chất lỏng được đưa xuống từ những phân đoạn phía trên của tháp Trong tháp chưng cất lúc này có hai dòng chảy của hai pha: pha hơi đi từ dưới lên trên tháp, còn pha lỏng sẽ đi từ trên xuống dưới Pha lỏng sẽ gặp pha hơi từ dưới lên, diễn ra sự tiếp xúc giữa hai pha và các quá trình truyền nhiệt, truyền khối.

Xét riêng từng pha trong tháp để có thể hiểu rõ hơn các quá trình này, với pha lỏng chuyển động từ phía trên tháp qua các mâm xuống đáy tháp, càng xuống gần phía đáy tháp thì các cấu tử gặp nhiệt độ cao sẽ bay hơi dần nhất là các cấu tử acetone, tạo pha hơi bay lên Pha hơi sẽ chuyển động ngược chiều với pha lỏng càng lên phía trên gần đỉnh tháp thì nhiệt độ sẽ càng lúc càng giảm vì vậy mà những cấu tử khó bay hơi ở đây là chlorobenzene sẽ bị ngưng tụ lại ở mỗi mâm rồi chảy xuống theo tác dụng của trọng lực, đồng thời giải phóng năng lượng để cấu tử dễ bay hơi hơn trong pha lỏng bay hơi Quá trình này được lặp đi lặp lại qua các mâm và cuối cùng ở đỉnh tháp, dòng hơi đi ra ngoài theo đường ống và đi qua thiết bị ngưng tụ (số 5)

xv

Trang 23

Dòng hơi sẽ được ngưng tụ hoàn toàn hình thành sản phẩm đỉnh dạng lỏng, đi ra khỏi thiết bị ngưng tụ và chảy vào bồn chứa (số 11) Một phần lượng sản phẩm đỉnh này sẽ được đi lại vào tháp gọi là dòng hoàn lưu, về tháp ở đĩa trên cùng với tỉ số hoàn lưu thích hợp (R = 1,46) so với lượng sản phẩm đỉnh được lấy ra; kết hợp với bơm hoàn lưu (số 16) và lưu lượng kế (số 12) để kiểm soát được tốc độ cũng như lưu lượng hoàn về giúp tháp hoạt động ổn định Phần còn lại sẽ đi vào thiết bị trao đổi nhiệt và được làm nguội bằng thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (số 6) xuống 40 Co , rồi đưa vào bồn chứa sản phẩm đỉnh (số 11)

Dòng lỏng chảy dần xuống đáy tháp được rời khỏi tháp và đi vào vào nồi đun (số 3) Trong nồi đun một phần chất lỏng sẽ được bốc hơi cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại sẽ được đưa khỏi nồi đun và làm nguội ở thiết bị làm nguội sản phẩm đáy (số 4) đến nhiệt độ 40 Co rồi mới đưa vào bể chứa (số 10).111Equation Chapter (Next) Section 1 212Equation Chapter (Next) Section 1313Equation Chapter (Next) Section 1

Trang 24

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

Trang 26

Chỉ số hoàn lưu R là một số liệu quan trọng, nó có tầm ảnh hưởng trực tiếp đến việc tính toán và thiết kế cho thiết bị tháp chưng cất Chỉ số hoàn lưu là tỷ số giữa lượng quay về tháp và lượng sản phẩm đỉnh được lấy ra sau quá trình chưng cất Ý nghĩa của nó là tăng nồng độ sản phẩm đỉnh và giúp tháp hoạt động Chỉ số hoàn lưu cực tiểu ứng với số bậc chưng cất (số mâm) cực đại, lưu lượng hoàn lưu về tháp ít nên yêu cầu năng lượng thấp Ngược lại, chỉ số hoàn lưu cực đại sẽ tương ứng với số bậc chưng cất cực tiểu, lưu lượng hoàn lưu về tháp nhiều nên yêu cầu năng lượng cao Một chỉ số hoàn lưu tối ưu sẽ cân đối giữa số bậc chưng cất và yêu cầu năng lượng trong quá trình

Trong đó: y*F là nồng độ cấu tử dễ bay hơi (acetone) trong pha hơi cân bằng với nồng

độ trong pha lỏng xFtrong hỗn hợp ban đầu.

Dựa vào đồ thị cân bằng lỏng hơi ta có: xF = 0,1 æçççè ÷÷÷öø

Trang 27

- Chỉ số hoàn lưu làm việc được tính theo công thức: R = b.Rmin 11311\

(công thức IX.25a, trang 158, [CITATION Ngu06 \l 1066 ])

Hay: R = 1,3 Rmin + 0,3 (công thức IX.25b, trang 159, [CITATION Ngu06 \l 1066 ]).

3.4 Phương trình đường làm việc và số mâm lý thuyết

- Phương trình đường nồng độ làm việc của quá trình cất có dạng như sau:

Trang 28

Đồ thị đường nồng độ làm việc phần chưng, đường nồng độ làm việc phần cất và đường nồng độ làm việc của quá trình nhập liệu đồng quy tại điểm (0,1; 0,4577).

xxi

Trang 29

- Số mâm chưng cất tính theo lý thuyết:

Hình 3.3: Đồ thị ngoại suy số mâm chưng cất theo lý thuyết.

Từ đồ thị xác định được số mâm lý thuyết: Nlt = 11 mâm, gồm: 5 mâm cất, 5 mâm chưng và 1 mâm nhập liệu.

Đường nồng độ làm việc quá trình cấtĐường nồng độ làm việc phần nhập liệuĐường nồng độ làm việc quá trình chưngvẽ mâm lý thuyết

x %y %

Trang 30

(công thức IX.59, trang 170, [CITATION Ngu06 \l 1066 ]) Trong đó:

N - là số bậc thay đổi nồng độ hay số đĩa lý thuyết. htb - là hiệu suất trung bình của thiết bị.

- Hiệu suất trung bình được tính theo công thức:

h1, h2, hiệu suất của các bậc thay đổi nồng độ; n – số vị trí tính hiệu suất.

Theo dữ kiện đề tài, hiệu suất trung bình của thiết bị được tính tại 3 vị trí:

Trang 33

Thay htb vào (3.14), số đĩa thực tế của tháp chưng cất là:

- Số mâm chưng: Nchưng =

0,4323 Þ chọn 12.

Trang 34

Vậy tổng số mâm của tháp chưng cất thực tế là 25.

3.6 Cân bằng năng lượng

3.6.1 Năng lượng trao đổi ở thiết bị ngưng tụ

Trang 35

=> Nhiệt lượng ngưng tụ sản phẩm đỉnh: Qnt = 341.766,55

Q là nhiệt lượng cần trao đổi để làm nguội dòng sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ từ nhiệt

độ sôi đến nhiệt độ đầu ra.

Trang 37

Q là năng lượng cung cung cấp cho thiết bị lam nguội sản phẩm đáy từ nhiệt độ sôi đến nhiệt độ đầu ra.

là nhiệt dung riêng của sản phẩm đáy.

Trang 38

3.6.5 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị nồi đun

Theo định luật bảo toàn năng lượng:

Trang 39

Q là nhiệt lượng hao phí, chiếm khoảng 5% lượng nhiệt của nồi đun cấp Qñ.

- Nhiệt lượng dòng nhập liệu mang vào tháp:å QF = × ×F C tpF æ öç ÷ç ÷çè økJ÷