đề tài thiết kế tháp chưng cất dạng tháp mâm chóp cho hệ clorofom benzene

Yêu cầu về phần thuy t minh và tính toán ế+ Giới thi u vệ ề chưng cất, các phương pháp và thiết bị chưng cất, các tính ch t trong ấ h.. Cân b ng nhiằ ệt lượng cho thiết bị làm nguội sản

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

Thành phố H Chí Minh, tháng 6 ồ năm 2022

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠ M KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGH Ệ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM

B MÔN CÔNG NGH K THU T HÓA HỘ Ệ Ỹ Ậ ỌC

- -

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN MÔN H C MÁY VÀ THI T B Ọ Ế Ị

Giáo viên hướng dẫn: TS Trần Th Nhung ị

H và tên sinh viên th c hi n: ọ ự ệ Nguy n Thễ ị Ngọc Liên MSSV: 19128043

Ngành: Công nghệ k thu t hóa h c ỹ ậ ọ

1 Tên đồ án: THI T K Ế Ế THÁP CHƯNG CẤT DẠNG CHÓP ĐĨA (MÂM CHÓP)

CHO HỆ CLOROFOM BENZEN – E

2 Nhi m v cệ ụ ủa đồ án: Tính toán cân b ng v t ch t, cân bằ ậ ấ ằng năng lượng, tính toánthiết kế h ệ thống, thi t b ế ị chính và phụ

3 Các s ố liệu ban đầu

+ Năng suất nh p li u: ậ ệ GF= 6000 (kg/h)

+ Nồng độ nhập liệu (tính theo Clorofom): xF= 0,3 (mol/mol)

+ Độ thu hồi sản phẩm đáy: 98%

4 Yêu cầu về phần thuy t minh và tính toán ế

+ Giới thi u vệ ề chưng cất, các phương pháp và thiết bị chưng cất, các tính ch t trong ấ

h ệ

+ Thuy t minh quy trình công ngh h ế ệ ệ thống chưng cất

+ Tính toán cân bằng vật ch t, cân bấ ằng năng lượng của hệ chưng cấ t

+ Tính toán các thông số công nghệ ủa tháp chưng cất c

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

6 Yêu c u khác: ầ Thực hiện và hoàn thành đồ án đúng tiến độ

7 Ngày giao nhi m v án: ệ ụ đồ 08/03/2022

8 Ngày hoàn thành đồ án: 22/06/2022

TS Trần Th Nhung ị

KHOA CÔNG NGH HÓA H Ệ ỌC – THỰ C PH M Ẩ

BỘ MÔN CÔNG NGH HÓA H C Ệ Ọ

PHI ẾU ĐÁNH GIÁ C A GIÁO Ủ VIÊN HƯỚNG DẪN

MÔN HỌC: ĐỒ ÁN MÁY THI T B - H C KÌ 2 Ế Ị Ọ – NĂM HỌC 2021 2022 –

MÃ MÔN H C: PWPD322703 Ọ

1 Giáo viên hướng dẫn: TS Trần Th Nhung ị

2 Sinh viên th c hiự ện: Nguy n Th ễ ị Ngọc Liên 3 MSSV: 19128043

4 Tên đề tài: Thi t kế ế tháp ch ng c t d ng chóp a (mâm chóp) cho h Clorofom ư ấ ạ đĩ ệ –Benzene

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

2 L p qui trình công nghậ ệ và tính toán được các chi ti t thi t bế ế 0 2,5 –

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

4 Lập được k ho ch tri n khai th c hi n thi t k ế ạ ể ự ệ ế ế 0 0,75 –

5 Lập được b ng v v i ph n m m chuyên dả ẽ ớ ầ ề ụng 0 2,5 –

6 Hoàn thành thuy t minh thi t k ế ế ế đầy đủ, chính xác và logic 0 1,0 –

7 Hoành thành trách nhi m cá nhân trong nhóm ệ 0 0,75 –

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

TỔNG ĐIỂM (Bằng chữ: ) 10

Ghi chú: GV hướng dẫn cho điểm lẻ t ới 0,25 điểm

6 Các nh n xét khác (n u có) ậ ế

7 K t lu n ế ậ

Được phép b o vả ệ: □ Không được b o vả ệ: □ Ngày tháng năm 2022 Người nh n xét ậ (Kí và ghi rõ h tên) ọ

TS Tr n Th Nhungầ ị

KHOA CÔNG NGH HÓA H Ệ ỌC – THỰ C PH M Ẩ

BỘ MÔN CÔNG NGH HÓA H Ệ ỌC

PHI ẾU ĐÁNH GIÁ CỦ A GIÁO

MÔN HỌC: ĐỒ ÁN MÁY THI T B - H C KÌ 2 Ế Ị Ọ – NĂM HỌC 2021 2022 –

MÃ MÔN H C: PWPD322703 Ọ

1 Giáo viên ph n biả ện:

2 Sinh viên th c hiự ện: Nguy n Th ễ ị Ngọc Liên 3 MSSV: 19128043 4 Tên đề tài: thi t k áp ch ng c t d ng chóp a (mâm chóp) cho hế ế th ư ấ ạ đĩ ệ Clorofom Benzene.– 5 K t qu ế ả đánh giá: STT N i dung ộ Thang điểm Điểm số 1 L p qui trình công nghậ ệ và tính toán được các chi ti t thi t b ế ế ị 0 2,5 – 2 Lập được b ng v v i ph n m m chuyên dả ẽ ớ ầ ề ụng 0 2,5 – 3 Hoàn thành thuy t minh thi t k ế ế ế 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 ph n bi n ả ệ 0 3,0 – TỔNG ĐIỂM (Bằng chữ: ) 10

Ghi chú: GV HƯỚNG DẪN cho điểm l tẻ ới 0,25 điểm 6 Các nh n xét khác (n u có) ậ ế

Ngày tháng năm 2022 Người ph n bi n ả ệ (Kí và ghi rõ h tên)ọ

em nhi u ki n thề ế ức qua các bộ môn ềv các quá trình truy n kh i, truy n nhi t và các ề ố ề ệ

ki n thế ức liên quan đến thi t b ế ị Những hành trang này đã giúp em có được n n t ng ề ả

ki n thế ức vững chắc đ có thểể hoàn thành t t án môn hố đồ ọc

Đồ án thi t k ế ế thiết b ịchưng cất dạng chóp đĩa của em còn nhi u sai sót do nhi u nguyên ề ềnhân chủ quan cũng như khách quan về khả năng và kinh nghiệm th c t nên em ự ế chưa thể phân tích, tính toán và đánh giá một cách chính xác và đúng mức các quy định Tuy nhiên, nh sờ ự hướng dẫn đầy đủ và k p th i t cô mà thông qua môn h c em h c hị ờ ừ ọ ọ ỏi được nhiều kiến thức b ích mang lại nhiều kinh nghiổ ệm để có thể tính toán và thiết kế hoàn ch nh mỉ ột thi t bế ị công nghiệp trong tương lai

Em xin g i l i cử ờ ảm ơn đến gi ng viên ph n biả ả ện đồ án c a em, củ ảm ơn quý Thầy Cô đã dành thời gian để xem xét và giúp em nhìn nh n ra nh ng ch ậ ữ ỗ thiếu sót trong đồ án môn

học Kính mong quý Th y Cô có th góp ý, ch d y thêm ầ ể ỉ ạ để em có thể hoàn thành đồ

án m t cách tộ ốt nhất

Em xin chân thành cảm ơn

ii

M C L C Ụ Ụ

LỜI CẢM ƠN i

MỤC LỤC ii

DANH M C BỤ ẢNG v

DANH MỤC HÌNH vi

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3

1.1 Lý thuyết về chưng cất 3

1.1.1 Khái niệm 3

1.1.2 Phương pháp chưng cất 3

1.1.3 Nguyên tắc làm vi c 4ệ 1.1.4 Thiết bị chưng cất 4

1.1.5 Tháp mâm chóp 5

1.2 Giới thiệu v nguyên li u 6ề ệ 1.2.1 Clorofom 6

1.2.2 Benzene 7

1.2.3 Hỗn hợp Clorofom - Benzen 8

CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 10

2.1 Bản vẽ sơ đồ quy trình công ngh 10ệ 2.2 Thuyết minh quy trình 11

2.3 Sơ đồ tính toán 12

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT 13

3.1 Dữ liệu ban đầu 13

3.2 Cân bằng v t ch t 13ậ ấ 3.3 Xác định ch s hỉ ố ồi lưu thích hợp 14

3.4 Phương trình đường làm vi c và s mâm lí thuy t 15ệ ố ế 3.4.1 Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất 15

3.4.2 Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng 15

3.4.3 S mâm lí thuy t 15ố ế 3.4.4 S mâm thố ực tế 17

CHƯƠNG 4: TÍNH THIẾT BỊ CHÍNH 22

4.1 Tính toán thiế ế thân tháp chưng cất k t 22

4.1.1 Đường kính tháp (𝑫𝒕) 22

4.1.1.1 Đường kính đoạn c t 22ấ 4.1.1.2 Đường kính đoạn chưng 26

4.1.1.3 Kết luận 30

4.1.2 Chiều cao tháp mâm chóp 31

4.1.2.1 Chiều cao c a thân tháp 31ủ 4.1.2.2 Chiều cao của đáp, nắp 31

4.1.3 Mâm chóp - trở ự l c mâm chóp 31

iii

4.1.3.1 Tính toán chóp 31

4.1.3.2 Tính cho ng ch y chuy n 34ố ả ề 4.1.3.3 Độ ả gi m áp 38

4.2 Tính b dày thân tháp 41ề 4.3 Đáy và nắp thiết bị 44

4.4 Bích 45

4.4.1 Bích và đệm ghép thân đáy và nắp 45

4.4.2 Đường kính các ống dẫn 46

4.4.2.1 ng dỐ ẫn hơi vào thiết bị ngưng tụ 46

4.4.2.2 Đường kính ống dẫn dòng nhập liệu 47

4.4.2.3 Đườ ng kính ống d ẫn đườ ng sản ph ẩm đáy 47

4.4.2.4 Đườ ng kính ống d ẫn hơi từ ồi đun qua tháp n 48

4.4.2.5 ng dỐ ẫn hoàn lưu 48

4.4.3 Bích để nối các ống dẫn 49

4.5 Tai treo, chân đỡ 50

4.5.1 Tính sơ bộ khối lượng của toàn tháp 50

4.5.2 Tính chân đỡ tháp 53

4.5.3 Tính tai treo tháp 55

4.6 Tính l p cách nhi t 55ớ ệ CHƯƠNG 5: TÍNH THIẾT BỊ PHỤ 57

5.1 Cân b ng nhiằ ệt lượng 57

5.1.1 Cân b ng nhiằ ệt lượng cho thiết bị ngưng tụ 57

5.1.2 Cân b ng nhiằ ệt lượng cho thi t b gia nhi t dòng nh p liế ị ệ ậ ệu đến nhiệt độ sôi 57 5.1.3 Cân b ng nhiằ ệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đáy 58

5.1.4 Cân b ng nhiằ ệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 59

5.1.5 Nhiệt lượng cung c p cho nấ ồi đun ở đáy tháp 60

5.2 Thi t b nhi t 60ế ị ệ 5.2.1 Thiết bị ngưng tụ ản phẩm đỉnh s 60

5.2.1.1 Suất lượng nước làm lạnh c n dùng 62ầ 5.2.1.2 Hi u s nhi t trung bình logarit 62ệ ố ệ 5.2.1.3 H s ệ ố truyền nhiệt K 63

5.2.2 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 70

5.2.2.1 Xác đị nh hệ số truyền nhiệt thiết bị làm nguội sản ph ẩm đỉnh 72

5.2.2.2 Hi u s nhiệ ố ệt độ trung bình logarit 72

5.2.2.3 H s ệ ố truyền nhiệt K 72

5.2.2.4 B m t truy n nhi t trung bình 77ề ặ ề ệ 5.2.3 Thiết bị gia nhiệt nhập li u 78ệ 5.2.3.1 Suất lượng hơi nước cần dùng để gia nhiệt dòng nhập li u 79ệ 5.2.3.2 Hi u s nhiệ ố ệt độ trung bình logarit 80

5.2.3.3 H s ệ ố truyền nhiệt K 80

iv

5.2.3.4 B m t truy n nhi t trung bình 84ề ặ ề ệ

5.2.4 Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy 86

5.2.4.1 Suất lượng nước cần dùng để làm nguội sản phẩm đáy 87

5.2.4.2 Hi u s nhiệ ố ệt độ trung bình logarit 87

5.2.4.3 H s ệ ố truyền nhiệt K 88

5.2.4.4 B m t truy n nhiề ặ ề ệt trung bình 93

5.2.5 Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy 95

5.2.5.1 Xác định nhiệt độ trung bình t 96ln 5.2.5.2 Hi u s nhiệ ố ệt độ trung bình logarit 96

5.2.5.3 H s ệ ố truyền nhiệt K 96

5.2.5.4 B m t truy n nhi t trung bình 101ề ặ ề ệ 5.3 B n cao v 102ồ ị 5.3.1 T n thổ ất đường ống 102

5.3.1.1 T n thổ ất đường ng d n t b n ch a nguyên liố ẫ ừ ồ ứ ệu đến b n cao v 103ồ ị 5.3.1.2 T n thổ ất đường ng dố ẫn đoạn qua thiết bị đun sôi nhập li u 106ệ 5.3.2 Chi u cao b n cao v 109ề ồ ị 5.4 Bơm 110

5.4.1 Bơm nhập liệu 110

5.4.1.1 Năng suất 110

5.4.1.2 Cột áp 110

5.4.1.3 Công su t 114ấ 5.4.2 Bơm hoàn lưu 114

5.4.2.1 Năng suất 114

5.4.2.2 Cột áp 115

5.4.2.3 Công su t 118ấ KẾT LUẬN 120

DANH MỤC TÀI LI U THAM KH O 123 Ệ Ả PHỤ L C 1: TÍNH KH Ụ Ố I LƯ NG VẬT TƯ VÀ CHI PHÍ Ợ 124

PHỤ L ỤC 2: BẢNG TÓM T T CÁC KÍ HI U 127Ắ Ệ

v

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1 1 So sánh ưu nhược điểm các loại tháp thường dùng 5

B ng 1 2 Thành ph n cân b ng l ng ả ầ ằ ỏ – hơi và nhiệt độ sôi của hỗn h p 8 ợ 1 B ng 3 1 B ng giá trả ả ị xD ừt 0,9 - 0,99 14

1 B ng 4 1 Thông s ả ố kích thước bích ghép thân với đáy và nắp 45

B ng 4 2 Thông s ả ố kích thước bích nối các ống d n 50 ẫ B ng 4 3 ả Thông số kích thước đệm bít kín bích nối ống dẫn 50

B ng 4 4 ả Thông số kích thước chân đỡ 54

B ng 4 5 ả Thông số kích thước tai treo 55

1 B ng 5 1 ả Kết quả tính toán thiết bị ngưng tụ 70

B ng 5 2 ả Kết quả tính toán thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 78

B ng 5 3 ả Kết quả tính toán thiết bị gia nhiệt nhập liệu 85

B ng 5 4 ả Kết quả tính toán thiết bị làm nguội sản phẩm đáy 95

B ng 5 5 Kả ết quả tính toán thi t b gia nhiế ị ệt sản phẩm đáy 102

vi

DANH MỤC HÌNH

Hình 1 1 Mô hình tháp chưng cất mâm chóp 6 Hình 1 2 Giản đồ tỉ lệ lỏng – hơi của hệ Clorofom - Benzen theo nhiệt độ 9 Hình 1 3 Giản đồ ỉ ệ t l Clorofom trong pha l ng theo t l Clorofom ỏ ỉ ệ trong pha hơi hệClorofom - Benzen 9

Hình 3 1 Đồ bi u di n s mâm lí thuy t 16 thị ể ễ ố ếHình 3 2 Hình phóng to s ố đĩa lý thuyết đoạn chưng 16 Hình 3 3 Hình phóng to s ố đĩa lý thuyết đoạn c t 17 ấHình 3 4 Đồ bi u di n hi u su t trung bình cthị ể ễ ệ ấ ủa thiết b 19 ị

Hình 4 1 Xác định lượng hơi trung bình đi trong tháp chưng luyện 22 Hình 4 2 Hệ s ố hiệu ch nh cho suỉ ất lượng pha khí 38 Hình 4 3 Hình minh họa các bích nối thân 45 Hình 4 4 Hình minh họa bích nối các ng d n 49 ố ẫHình 4 5 Hình minh họa chân đỡ tháp chưng cất 54 Hình 4 6 Hình minh họa tai treo thiết bị chưng cất 55

Hình 5 1 Nồi đun Kettle 95

1

L I M Ờ Ở ĐẦU

Đố ới v i ngành công nghệ k thuật hóa hỹ ọc nước ta nói riêng và ngành công nghệ k ỹthuật hóa h c th giọ ế ới nói chung, đặc ệbi t là ngành hóa chất cơ bản Nhu c u v ầ ề độ tinh khiết của hóa ch t ngày càng cao, ph i phù h p v i quy trình s n xuấ ả ợ ớ ả ất hoặc nhu c u s ầ ử

Nhận th y rõ s phát triấ ự ển như vũ bão của ngành Công ngh Kệ ỹ thuật Hóa h c, v i lọ ớ ối

tư duy nhạy bén và sáng tạo, khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm Trường Đại học

Sư phạm K ỹ thuật Thành ph H ố ồ Chí Minh đã đào tạo ra nh ng sinh viên chuyên ngành ữHóa Điều đó không chỉ cung cấp cho đất nước đội ngũ những công nhân lành nghề, thợ kỹ thu t có tay ngh cao mà nó còn mậ ề ở cơ hội vi c làm cho gi i trệ ớ ẻ trong lĩnh vực khá m i m này ớ ẻ

Là m t sinh viên khoa Công Ngh Hóa h c và Th c phộ ệ ọ ự ẩm, em được trang b r t nhiị ấ ều

ki n thế ức cơ bản v các quá trình thi t b c a công ngh s n xu t nh ng s n ph m hóa ề ế ị ủ ệ ả ấ ữ ả ẩ

h c Nhọ ận được bản đồ án này là một cơ hộ ốt để em đượi t c tìm hi u v các quá trình ể ềcông nghệ, được vận d ng nh ng kiụ ữ ến thức đã được học và m r ng v n kiở ộ ố ến thức của mình, t ừ đó giúp em có cái nhìn cụ thể hơn về nghành nghề mình đã lựa chọn

Công ngh Kệ ỹ thuật Hóa h c là m t ngành gi v trí, vai trò quan tr ng trong vi c sọ ộ ữ ị ọ ệ ản

xu t ph c v cho nhiấ ụ ụ ều lĩnh vực, cho m i nghành kinh t qu c dân, t o tiọ ế ố ạ ền đề cho nhiều ngành phát tri n theo V i nhiể ớ ều phương pháp sản xuất khác nhau như lắng, lọc, đun nóng, làm nguội, chưng luyện, hấp th , h p ph , trích ly, sụ ấ ụ ấy khô, đông lạnh…đã tạo ra rất nhiều s n phả ẩm đa dạng, phong phú đáp ứng nhu c u ngày càng l n cầ ớ ủa con người

Đặc biệt được ứng dụng nhiều nhất là chưng luyện, nó được ứng d ng trong nhiều ụngành, lĩnh vực, đặc biệt là công nghệ lên men, công nghệ tổng hợp hữu cơ, lọc - hóa

d u, công ngh sinh hầ ệ ọc

Đối v i h Clorofom ớ ệ – Benzene là 2 c u t tan hoàn toàn vào nhau Tùy t l thành phấ ử ỉ ệ ần cấu t có trong h n h p mà có nhiử ỗ ợ ệt độ sôi khác nhau nên phương pháp tối ưu để tách

2

h n hỗ ợp trên là phương pháp chưng cất Mà c ụ thể trong đồ án này, nhóm em s nghiên ẽcứu thiết kế máy thiết b ị chưng cất dạng mâm chóp

Đồ án môn h c quá trình thiết bị là m t môn h c mang tính t ng hợp trong quá trình ọ ộ ọ ổ

h c t p c a kọ ậ ủ ỹ sư hóa học tương lai Môn học giúp sinh viên gi i quy t nhi m v tính ả ế ệ ụtoán c ụ thể v : yêu c u công ngh , k t c u, giá thành c a m t thi t b trong s n xu t hóa ề ầ ệ ế ấ ủ ộ ế ị ả ấchất – thực phẩm Đây là bước đầu tiên để sinh viên vận d ng nh ng kiụ ữ ến thức đã học của nhiều môn h c và giọ ải quyết vấn đề ỹ k thuật m t cách t ng h p ộ ổ ợ

Nhiệm v cụ ủa đồ án môn h c là thi t kọ ế ế tháp chưng cất chóp đĩa cho hệ hai c u t ấ ửClorofom Benzene ho– ạt động liên t c vụ ới năng suất: 6 t n/h, nấ ồng độ đầu nh p li u ậ ệ(theo cấu t Clorofomử ) là 30% mol/mol, độ thu hồi (theo cấu t Benzenử ) là 98%

3

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

l ng thành các c u t riêng bi t dỏ ấ ử ệ ựa 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 c u t khác nhau) ấ ửKhi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu được bấy nhiêu s n ph m N u xét h ả ẩ ế ệ đơn giản ch có 2 c u t ỉ ấ ử thì ta sẽ thu được 2 sản phẩm

S n phả ẩm đỉnh ch y u g m c u tủ ế ồ ấ ử có độ bay hơi lớn (nhiệt độ sôi nhỏ)

S n phả ẩm đáy chủ ế y u g m c u t ồ ấ ử có độ bay hơi nhỏ (nhiệt độ sôi lớn)

Đối với hệ Clorofom Benzen: –

S n phả ẩm đỉnh ch y u gủ ế ồm Clorofom và m t ít Benzen ộ

S n phả ẩm đáy chủ ế y u là Benzen và một ít Clorofom

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 t ử đều hiện di n trong c ệ ả hai pha nhưng với tỷ l khác nhau), còn trong quá trình cô ệ

đặc thì ch ỉcó dung môi bay hơi còn chất tan không bay hơi

1.1.2 Phương pháp chưng cất

Dựa vào trình độ công ngh và khoa h c, hóa h c hi n nay, có bệ ọ ọ ệ ốn phương pháp chưng cất ph biổ ến Mỗi phương pháp đều có tính chất và đặc trưng riêng, dùng trong những trường h p khác nhau, bao gồm: ợ

- Chưng cất đơn

+ Dùng để tách các chất lỏng tương đối tinh khiết có độ chênh l ch nhiệ ệt độ sôi l n ớ+ Thường được ứng dụng trong trường h p chợ ất được tách không tan vào nướ c

- Chưng cất phân đoạn

+ Thường dùng để hỗn hợp các cấu tử có nhiệt độ sôi chênh lệch nhau không nhiều + S phân tách các cự ấu t ử trải qua nhi u lề ần bay hơi ngưng tụ theo nhiệt độ ủ c a t ng t ừ ỉ

l ệ thành phần c a các c u t ủ ấ ử trong hỗn h p ợ

- Chưng cất áp suất thấp (chưng cất chân không)

4

+ Chưng cất ở áp su t th p dùng cho h p ch t ch a các c u t d b phân h y ho c biấ ấ ợ ấ ứ ấ ử ễ ị ủ ặ ến tính ở nhiệt độ cao

+ Hoặc trường h p nhiợ ệt độ sôi của cấu t quá cao ử

Ở áp suất th p nhiấ ệt độ sôi, nhiệt độ bay hơi của các cấu tử và hỗn hợp thấp hơn ở áp suất thường, đảm bảo được các yêu c u trên ầ ở

- Chưng cất áp suất cao

+ Dùng cho hỗn h p c u t không hóa l ng ợ ấ ử ỏ ở áp suất thường

1.1.3 Nguyên t c làm vi c ắ ệ

+ Pha lỏng đi từ trên xu ng có nố ồng độ ấ c u t d ử ễ bay hơi giảm d n ầ

+ Pha khí đi từ dưới lên có nồng độ cấu tử dễ bay hơi tăng dần

+ Nồng độ các c u t ấ ử thay đổi theo chi u cao c a tháp, nhiề ủ ệt độ sôi cũng thay đổi tương

ứng với s ựthay đổi nồng độ

+ Trên mỗi đĩa xảy ra quá trình truy n kh i gi a pha lề ố ữ ỏng và pha hơi Dẫn đến m t phộ ần cấu t chuyử ển t ừ hơi sang lỏng Quá trình bốc hơi và ngưng tụ ặp l i nhi l ạ ều lần Cu ối cùng ở đỉnh tháp ta thu được cấu t dử ễ bay hơi tinh khiết nhất có thể và tương tự đáy ở tháp ta thu được cấu tử khó bay hơi tinh khiết nhất có thể

1.1.4 Thiết bị chưng cất

Trong s n xuả ất thường s d ng r t nhi u lo i tháp, ử ụ ấ ề ạ chúng đều có m t yêu cộ ầu cơ bản là

di n tích b mệ ề ặ ết ti p xúc pha ph i lả ớn, điều này ph thuụ ộc vào độ phân tán của lưu chất này vào lưu chất kia

Tháp chưng cấ ất phong phú và đa dạt r ng về kích cỡ và ứng dụng, các tháp lớn nhất thường được ứng dụng trong công nghiệp lọc hóa dầu

Kích thước của tháp phụ thuộc vào chất lượng pha lỏng, pha hơi của tháp và độ tinh khiết cuả ả s n phẩm Ta so sánh ưu nhược điểm c a m t s ủ ộ ố loại tháp thường dùng:

5

Bảng 1 1 So sánh ưu nhược điểm các lo i ạ tháp thường dùng

- Hiệu su t khá cao ấ

- Hoạt động khá ổn định

- Hoạt động n ổđịnh

tăng năng suất thì hi u ứng ệ

thành tăng khó tăng năng

- Có trở ực lớ l n

- Tiêu tốn nhi u ề

vật tư, kết cấu

phức tạp

Nhận xét: t ừ các ưu nhược điểm trên Ta nh n thậ ấy, tháp chưng cất mâm chóp phù hợp

để phân tách hệ Clorofom - Benzene Ngoài ra, ch n tháp mâm chóp và tiến hành tính ọtoán thi t kế ế cho đồ án vì tháp mâm chóp thích h p cho thi t b hoợ ế ị ạt động dài lâu và độổn định cao

6

Hình 1 1 Mô hình tháp chưng cất mâm chóp

1.2. Giới thiệu v nguyên liề ệu

7

Clorofom chứ dơtơria (hydro n ng), CDCl , là dung môi ph bi n cho ặ 3 ổ ế phương pháp

đo phổ ộng hưở c ng từ hạt nhân (NMR)

c) Điều chế

Trong công nghiệp, người ta điều ch Clorofom bế ằng cách đốt nóng h n h p clo và ỗ ợclometan hay metan nhiỞ ệt độ 400-500 C pho ản ứng halogen hóa g c t do di n ra ố ự ễchuy n metan hay clorometan d n d n thành các h p chể ầ ầ ợ ất clo hóa

Ngày nay một lượng l n Benzen ớ chủ ếu để y :

S n xu t styren cho t ng h p polymer ả ấ ổ ợ

S n xu t cumen cho viả ấ ệc sản xu t cùng lúc axeton và phenol ấ

S n xu t cyclohexan t ng hả ấ ổ ợp tơ nilon

 Đóng vòng và dehydro hóa ankane

Các ankane có thể tham gia đóng vòng và dehydro hóa tạo thành hidrocacbon thơm ởnhiệt độ cao và có mặt xúc tác như Cr2O3, hay các kim lo i chuy n tiạ ể ếp như Pd, Pt:

CH3(CH ) 2 4CH3 O 3 / Al O 3 C6H6

 Dehydro hóa các cycloankane

Các cycloankane có th b dehydro hóa nhiể ị ở ệt độ cao v i s có m t c a các xúc tác ớ ự ặ ủkim lo i chuy n ti p t o thành Benzen hay các d n xuạ ể ế ạ ẫ ất của Benzen:

9

Hình 1 2 Giản đồ tỉ lệ lỏng – hơi của h Clorofom - Benzen theo nhiệ ệt độ

Hình 1 3 Giản đồ tỉ lệ Clorofom trong pha lỏng theo tỉ lệ Clorofom trong pha

hơi của hệ Clorofom - Benzen

10

CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

2.1 Bản vẽ sơ đồ quy trình công nghệ

11

2.2 Thuyết minh quy trình

Hỗn h p Clorofom - Benzene có nợ ồng độ Clorofom là 30% (theo ph n mol), nhiầ ệt độban đầu tại bồn chứa nguyên liệu khoảng 30℃ được bơm lên bồn cao vị Hỗn hợp từ

b n cao vồ ị được d n t i thi t b gia nhiẫ ớ ế ị ệt để đun sôi dòng nhập liệu đến nhiệt độ ần cthiết, sau đó được đưa vào tháp chưng cất t i v ạ ị trí mâm nh p li u ậ ệ

Trên mâm nh p li u, h n h p lậ ệ ỗ ợ ỏng được tr n v i ph n l ng tộ ớ ầ ỏ ừ đoạn c t c a tháp ch y ấ ủ ả

xu ng Trong tháp, ch t l ng ch y t trên xu ng gố ấ ỏ ả ừ ố ặp hơi từ dưới đi lên Tại đây hai pha

có sự tiếp xúc và trao đổ ới v i nhau Nhiệt độ càng xuống dưới càng tăng dẫn đến n ng ồ

độ c u t d ấ ử ễ bay hơi của pha l ng chuyỏ ển động trong phần chưng giảm Ngược l i, càng ạlên cao nhiệt độ càng thấp nên khi hơi từ dưới lên đi qua các đĩa thì cấ ửu t có nhiệt độsôi cao hơn là Benzene sẽ ngưng tụ l i, cu i cùng ạ ố ở đỉnh tháp ta thu được h n h p chỗ ợ ứa 95% (theo ph n mol) là c u t Clorofomầ ấ ử Hơi được d n vào thi t b ẫ ế ị ngưng tụ và ngưng

t hoàn toàn M t ph n ch t lụ ộ ầ ấ ỏng ngưng tụ được d n qua thi t b làm ngu i s n phẫ ế ị ộ ả ẩm đỉnh để làm nguội hỗn hợp đến 40℃ rồi đưa tới bồn chứa sản phẩm đỉnh Phần chất

l ng còn lỏ ại được hoàn lưu về tháp ở đĩa trên cùng với t s ỉ ố hoàn lưu tối ưu Ở đáy tháp

ta thu được hỗn hợp lỏng chứa hầu hết là cấu tử khó bay hơi (Benzene) có nồng độ

ph n mol là 98% S n ph m sau khi ra khầ ả ẩ ỏi đáy tháp được đưa vào nồi đun Từ ồi đun n

m t ph n h n h p l ng s bộ ầ ỗ ợ ỏ ẽ ốc hơi cung cấp lại cho đáy tháp để tiếp tục quá trình chưng cất, phần l ng còn lỏ ại được dẫn qua thiết bị làm nguội sản phẩm đáy để làm nguội hỗn

h p l ng tợ ỏ ới 40℃ rồ ưa vào bồi đ n chứa sản phẩm đáy

12

2.3. Sơ đồ tính toán

3

Tính cân bằng năng lượng

Tính toán t s ỷ ố hoàn lưu

Tính toán thi t b ph ế ị ụ

1 Thi t b ế ị ngưng tụ ả s n phẩm đỉnh

2 Thi t b làm ngu i s n phế ị ộ ả ẩm đỉnh

3 Thi t b gia nhi t nh p li u ế ị ệ ậ ệ

4 Thi t b làm ngu i s n phế ị ộ ả ẩm đáy

5 Nồi đun gia nhi t s n phệ ả ẩm đáy

6 B n cao v ồ ị

7 Bơm

mol, tsB= 80,6℃

Năng suất nh p liệu ậ GF= 6000 (kgh)

Nồng độ nhập li u (tính theo Clorofomệ ) xF= 0,3 (nolmol)

Độ thu h i sản phồ ẩm đáy (Benzen) 98%

Chọn:

 Nhiệt độ nhập li uệ : t′F= 30℃

 Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm ngu i: ộ t′D= 40℃

 Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt: t′W= 40℃

 Trạng thái nh p li u l ng sôi áp suậ ệ ỏ ở ất thường

Kí hiệu:

F: suất lượng nh p li u (kmol/h) ậ ệ

xF: phần mol nh p li u (mol Clorofom/mol h n h p) ậ ệ ỗ ợ

D: suất lượng s n phả ẩm đỉnh (kmol/h)

xD: phần mol đỉnh (mol Clorofom /mol hỗn hợp)

W: suất lượng s n phả ẩm đáy (kmol/h)

xW: phần mol đáy (mol Clorofom /mol hỗn hợp)

Khi chưng luyện hỗn hợp Clorofom – Benzen thì cấu tử dễ bay hơi là Clorofom 3.2. Cân bằng v t ch t ậ ấ

+ B o toàn vả ật chất toàn tháp: F = D +W (3.1)

+ Bảo toàn đối v i cớ ấu t d ử ễ bay hơi (Clorofom): F.x = D.x + W.xF D W (3.2)+ Tỉ l thu hệ ồi cấu t n ng (Benzenử ặ ): W(1−xw)

F(1−xF) = 0,98 (3.3)+ Khối lượng mol trung bình dòng nh p li u: ậ ệ

M = M x + M 1 − xtb A F B ( F) = 119,5.0,3 +78 (1 − 0,3) = 90 450, (kgmol) (3.4)+ Suất lượng mol nh p li u: ậ ệ

F xF = D x + W xD W↔ 66 33 x = D x + W x, F D W

F = D + W = 66,330

(3.6)Với giá trị xD t 0,9 - 0,99 ừ

độ làm vi c khi s mâm lý thuy t nhiệ ố ế ều vô cùng Do đó cần điều chỉnh để gi m s mâm, ả ố

giảm chi phí cho tháp chưng cất

Chỉ ố s hồi lưu tối thiểu c a tháp chưng cất: ủ

Rmin=xD −y F∗

y −x F∗ F(3.7)

Với:

 yF*: nồng độ c u t d ấ ử ễ bay hơi trong pha hơi cân bằng v i nớ ồng độ trong pha l ng ỏ

 xD: phần mol đỉnh (mol Clorofom/mol h n h p) ỗ ợ

Với:

 x′1: hàm lượng lỏng đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng

 W: suất lượng s n phả ẩm đáy (kmol/h), W = 47,756 kmol/h

 g′1: lượng hơi đi vào đoạn chưng (kg/h)

 G′1: lượng lỏng ởđĩa thứ nhất của đoạn chưng

 r′1: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhấ ủa đoạn chưng t c

 xW: thành phần c u t dấ ử ễ bay hơi trong sản phẩm đáy

Với t1= tF = 77,2 C, tra b ng I.212/254, tài li u tham kh o [2] và n i suy giá tr n o ả ệ ả ộ ị ẩnhiệt hóa hơi theo nhiệt độ tF = 77,2 C, ta có: o

Ẩn nhiệt hóa hơi của Clorofom: rA1 = 57,423 kcal/kg = 28710,811 (kJ/kmol)

Ẩn nhiệt hóa hơi của Benzene: rB1 = 94,490 kcal/kg = 30837,000 (kJ/kmol)

28

Suy ra: r = r y1 A1 1+ (1 − y1) rB1= 28710 811, y1+ (1 − y1) 30837 000, (kmolkJ)

=28710,811.0,386 + (1 − 0,386 30837) ,000 30016 291= , (kmolkJ) (4.34)Giải hệ, ta được:

ii Tố c đ hơi trung bình đi trong tháp ở đoạn chưng ộ

Tính số trung bình v n tậ ốc hơi đi trong tháp và khối lượng riêng hơi trung bình ởđoạn chưng theo công thức:

(ρ ωy y)′tb= 0,065 φ.[σ] √h ρ′ ρ′xtb ytb, kg

m s 2 (4.39)(Công thức IX.106/184, tài li u tham kh o [3]) ệ ả

 ρ′xtb: khối lư ng riêng trung bình của pha l ng (kg/m ợ ỏ 3)

 ρ′ytb: khối lư ng riêng trung bình cợ ủa pha hơi (kg/m3)

 y1: hàm lượng hơi ở đĩa thứ nhấ ủa đoạn chưng t c

 yw: hàm lượng hơi ở đĩa trên cùng của đoạn chưng

Suy ra y′tb=y1 +y w

2 =0,386+0,072 = 0,228 (molmol) (4.41)

+ Nhiệt độ trung bình đoạn chưng:

 y′tb: nồng độ phân mol trung bình pha hơi, y′tb= 0,228 (molmol)

 t′tb: nhiệt độ trung bình của đoạn chưng, t′tb= 78 88℃,

 M , MA B: lần lượt là khối lượng phân tử Clorofom và Benzen

Suy ra: ρ′ytb=[0,228 119.22 78 875 273,4.( ,,5+(1−0,+228 78 ].273).) = 3,029(kgm3) (4.44)

Tra bảng I.2/9, tài li u tham kh o [2] vệ ả ới t′tb= 78 88℃, ta có:

Khối lư ng riêng c a Clorofomợ ủ : ρC = 1381,736 (kg/m ) 3

Khối lư ng riêng c a Benzenợ ủ : ρB= 816,176 (kg/m ) 3

 Sức căng bề ặt của m Clorofom: σC 19,151.= 10−3 N/m = 19,151 (dyn/cm)

 Sức căng bề ặt của m Benzen: σB 21,434.= 10−3 N/m = 21,434 (dyn/cm)