đề tài thiết kế hệ thống chưng cất tháp mâm xuyên lỗ cho hệ acetone benzene

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬTKHOA CỘNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM

ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ

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

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC -o0o -

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN THIẾT KẾ MÁY THIẾT BỊGiáo viên hướng dẫn: Lý Tấn Nhiệm

Sinh viên thực hiện:

1 Tên đồ án: Thiết kế hệ thống chưng cất tháp mâm xuyên lỗ cho hệ Acetone –

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

3 Các số liệu ban đầu:

Năng suất chưng cất của tháp đạt: 4500 kg/h

Nồng độ đầu nhập liệu (theo tỉ lệ acetone): 35% mol/mol Tỉ lệ thu hồi (theo tỉ lệ acetone): 95%

4 Yêu cầu về phần thuyết minh và tính toán

Giới thiệu về chưng cất, thiết bị chưng cất, các tính chất của chất trong hệ

Thuyết trình về quy trình công nghệ của hệ thống chưng cất Tính toán cân bằng vậtchất, 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

Tính giá thành thiết bị Kết luận

5 Yêu cầu về trình bày bản vẽ

Bản vẽ số 1: Bản vẽ quy trình công nghệ bao gồm 01 bản in khổ A1 (gấp lại, kẹp trongquyển thuyết minh đồ án), và 01 bản in khổ A3 đóng chung quyển thuyết minh

Bản vẽ số 2: Bản vẽ cấu tạo thiết bị chính bao gồm 01 bản in khổ A1 (gấp lại, kẹptrong quyển thuyết minh đồ án) và 01 bản in khổ A3 đóng chung quyển thuyết minh

6 Yêu cầu khác: thực hiện và hoàn thành đồ án đúng tiến độ.7 Ngày giao nhiệm vụ đồ án: ngày 15 tháng 2 năm 2023

8 Ngày hoàn thành đồ án: ngày 7 tháng 6 năm 2023 9 Họ và tên giáo viên hướng dẫn: TS Lý Tấn Nhiệm

Tp Hồ Chí Minh, ngày 6 tháng 7 năm 2023

Lý Tấn Nhiệm

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

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC -

PHIẾU ĐÁNH GIÁ CỦAGIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

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

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

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

3 Đánh giá được sự phù hợp, điểm mạnh, yếu của thiết kế 0 – 1,0 0,754 Lập được kế hoạch triển khai thực hiện thiết kế 0 – 1,0 0,75

5 Lập được bản vẽ với phần mềm chuyên dụng 0 – 2,0 1

6 Hoàn thành thuyết minh thiết kế đầy đủ, chính xác và logic 0 – 1,0 0,5

7 Hoàn thành trách nhiệm cá nhân trong nhóm 0 – 0,5 0,5

8 Thực hiện đúng kế hoạch công việc được GV giao 0 – 1,0 1

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

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC -

PHIẾU ĐÁNH GIÁ CỦAGIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

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

1 GVHD: T.S Lý Tấn Nhiệm

2 Sinh viên: Nguyễn Huỳnh Kim Cương 3 MSSV:20128098

4 Tên đề tài: Thiết kế hệ thống chưng cất tháp mâm xuyên lỗ cho hệ

Acetone-Benzene5 Kết quả đánh giá

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

2 Lập qui trình công nghệ và tính toán được các chi tiết thiết bị 0 – 2,5 23 Đánh giá được sự phù hợp, điểm mạnh, yếu của thiết kế 0 – 1,0 0,754 Lập được kế hoạch triển khai thực hiện thiết kế 0 – 1,0 0,75

5 Lập được bản vẽ với phần mềm chuyên dụng 0 – 2,0 1

6 Hoàn thành thuyết minh thiết kế đầy đủ, chính xác và logic 0 – 1,0 0,5

7 Hoàn thành trách nhiệm cá nhân trong nhóm 0 – 0,5 0,5

8 Thực hiện đúng kế hoạch công việc được GV giao 0 – 1,0 2

(Ký & ghi rõ họ tên)

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍMINH

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC – THỰC PHẨM

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

-PHIẾU ĐÁNH GIÁ CỦAGIÁO VIÊN PHẢN BIỆNMÔN HỌC: ĐỒ ÁN THIẾT KẾ MÁY THIẾT BỊ - HỌC KỲ 2 - NĂM HỌC 2022 – 2023MÃ MÔN HỌC: PWPD3227031 GVPB: Trần Thị Nhung

2 Sinh viên: Trần Nguyễn Thúy Vi 3 MSSV: 20128170

4 Tên đề tài: Thiết kế hệ thống chưng cất tháp mâm xuyên lỗ cho hệ Acetone-Benzene5 Kết quả đánh giá:STTNội dungThangđiểmĐiểmsố1 Lập quy trình công nghệ và tính toán được các chi tiết thiết bị 0 – 3,02 Lập được bản vẽ với phần mềm chuyên dụng 0 – 2,03 Hoàn thành thuyết minh thiết kế đầy đủ, chính xác và logic 0 – 1,04 Trình bày được những nội dung cốt lõi của đồ án 0 – 1,05 Trả lời được các câu hỏi phản biện 0 – 3,0TỔNG ĐIỂM (Bằng chữ :……….)10

Ghi chú: GV HƯỚNG DẪN cho điểm lẻ tới 0,25 điểm6 Các nhận xét khác (nếu có):

(Ký & ghi rõ họ tên)

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

PHIẾU ĐÁNH GIÁ CỦA

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

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

1 GVPB: Trần Thị Nhung

2 Sinh viên: Nguyễn Huỳnh Kim Cương 3 MSSV: 20128098

4 Tên đề tài: Thiết kế hệ thống chưng cất tháp mâm xuyên lỗ cho hệ Acetone-Benzene5 Kết quả đánh giá:STTNội dungThangđiểmĐiểmsố1 Lập quy trình công nghệ và tính toán được các chi tiết thiết bị 0 – 3,02 Lập được bản vẽ với phần mềm chuyên dụng 0 – 2,03 Hoàn thành thuyết minh thiết kế đầy đủ, chính xác và logic 0 – 1,04 Trình bày được những nội dung cốt lõi của đồ án 0 – 1,05 Trả lời được các câu hỏi phản biện 0 – 3,0TỔNG ĐIỂM (Bằng chữ :……….)10

Ghi chú: GV HƯỚNG DẪN cho điểm lẻ tới 0,25 điểm6 Các nhận xét khác (nếu có):

(Ký & ghi rõ họ tên)

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình nhận đồ án và tìm hiểu, chúng em xin chân thành cảm ơn sự tận tâmhướng dẫn của thầy Lý Tấn Nhiệm, người thầy đã tận tinh chỉ dạy chúng em trongsuốt quá trình nghiên cứu đồ án vừa qua Nhờ có sự chỉ bảo của thầy mà chúng emngày càng tiến bộ hơn, học hỏi thêm nhiều kỹ năng và kiến thức mới để có thể hoànthành đồ án môn học một cách xuất sắc nhất

Bên cạnh đó chúng em cũng xin chân thành cảm ơn tất cả quý thầy cô trong Bộ mônCông nghệ Hóa học, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật, chúng em biết rằng kiến thứckhông tự nhiên mà có được, đó là nhờ vào sự dạy dỗ tận tâm của các thầy cô trong Bộmôn đã từng ngày hướng dẫn tụi em, để chúng em có nền tảng kiến thức vững chắc đểhoàn thành đồ án môn học.

Chúng em cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến giảng viên phản biện đồ án của nhómchúng em, chân thành cảm ơn quý thầy/cô đã dành thời gian xem xét và chỉ dẫn chúngem các thiếu sót trong đồ án môn học.

Chúng em chân thành cảm ơn.

1.3 Tổng quan về chưng cất và thiết bị chưng cất 4

1.3.1 Khái niệm chưng cất 4

1.3.2 Các phương pháp chưng cất 5

1.3.3 Các thiết bị chưng cất 6

CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 8

2.1 Thuyết minh quy trình công nghệ 8

2.2 Sơ đồ quy trình tính toán 9

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

3.1 Các thông số đầu vào 10

3.2 Cân bằng vật chất 10

3.2.1 Xác định suất lượng sản phẩm đỉnh và đáy 10

3.2.2 Xác định chỉ số hoàn lưu thích hợp 12

3.2.3 Phương trình đường làm việc 14

3.2.4 Xác định số mâm lý thuyết và mâm thực tế 15

3.3 Cân bằng năng lượng 18

3.3.1 Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện 18

3.3.2 Cân bằng năng lượng cho các thiết bị truyền nhiệt 22

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH 27

4.1 Đường kính tháp chưng cất 27

4.1.1 Đường kính phần cất 27

4.1.2 Đường kính đoạn chưng 31

4.2 Chiều cao tháp 34

4.3 Mâm lỗ - trở lực của mâm 35

4.3.1 Cấu tạo mâm lỗ 35

4.3.2 Trở lực của đĩa khô 36

4.3.3 Trở lực do sức căng bề mặt 36

4.3.4 Trở lực thuỷ tĩnh do chất lỏng trên đĩa tạo ra 37

4.3.5 Tổng trở thuỷ lực của tháp ở phần cất và phần chưng 40

4.3.6 Kiểm tra hoạt động của mâm 41

4.4 Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động 42

6.4 Thiết bị gia nhiệt nhập liệu 79

6.4.1 Xác định hệ số truyền nhiệt thiết bị gia nhiệt nhập liệu 80

6.4.2 Xác định bề mặt truyền nhiệt 84

6.4.3 Cấu tạo thiết bị 84

6.5 Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy 85

6.5.1 Xác định hệ số truyền nhiệt thiết bị làm nguội sản phẩm đáy 86

6.5.2 Xác định bề mặt truyền nhiệt 91

6.5.3 Cấu tạo thiết bị 91

6.6 Bồn cao vị 92

6.6.1 Tổn thất đường ống 92

6.6.2 Tổn thất đường ống dẫn trong thiết bị trao đổi nhiệt 94

6.6.3 Tổn thất đường ống dẫn trong thiết bị gia nhiệt nhập liệu: 95

6.6.4 Chiều cao bồn cao vị 97

6.7 Bơm 98

6.7.1 Năng suất 98

6.7.2 Cột áp 99

6.7.3 Tính tổng trở lực trong ống 99

DANH MỤC BẢ

Bảng 1 1.Thành phần cân bằng lỏng hơi hệ Acetone-Benzene (Theo IX.2a/146,[2]) 4

Bảng 1 2 So sánh ưu nhược điểm của các loại tháp 7YBảng 3 1 Suất lượng nhập liệu, đỉnh, đáy1Bảng 4 1 Tóm tắt một số các đại lượng trong tính toán thiết bị chính4Bảng 5 1 Kích thước kỹ thuật và loại bulông của bích ghép thân, đáy và nắp 50

Bảng 5 2 Kích thước kỹ thuật và loại bulông của ống nhập liệu 52

Bảng 5 3 Kích thước kỹ thuật và loại bulông của ống hơi ở đỉnh tháp 53

Bảng 5 4 Kích thước kỹ thuật và loại bulông của ống hoàn lưu 54

Bảng 5 5 Kích thước kỹ thuật và loại bulông của ống hơi ở đáy tháp 55

Bảng 5 6 Kích thước kỹ thuật và loại bulông của ống dẫn lỏng ở đáy tháp 56

Bảng 5 7 Kích thước kỹ thuật của chân đỡ tháp 58

Bảng 5 8 Kích thước kỹ thuật của tai treo5Bảng 6 1 Kết quả tính toán thiết bị ngưng tụ 67

Bảng 6 2 Kết quả tính toán thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 74

Bảng 6 3 Kết quả tính toán thiết bị làm nguội sản phẩm đáy 92

DANH MỤC HÌ

Hình 1 1 Đồ thị cân bằng hệ Acetone-Benzen 4Y

Hình 3 1 Đồ thị xác định tỷ số hoàn lưu 13

Hình 3 2 Đồ thị xác định số mâm lý thuyết hệ Acetone – Benzene 15

Hình 3 3 Sơ đồ thiết bị chưng luyện1Hình 5 1 Nắp và đáy thiết bị 47

Hình 5 2 Mối hàn dưới bích ghép thân – đáy – nắp 50

Hình 5 3 Mối hàn dưới bích ghép ống dẫn 51

Hình 5 4 Chân đỡ 58

Hình 5 5 Tai treo 59

LỜI MỞ ĐẦU

Trong thời đại ngày nay, dưới sự phát triển vượt bậc của nền khoa học công nghệ,càng ngày có thêm nhiều phát minh mới ra đời nhằm mục đích thúc đẩy sự phát triểncủa nhân loại Cùng với nó là nhu cầu ngày càng cao về độ tinh khuyết của các sảnphẩm Và để nâng cao độ tinh khiết của sản phẩm thì có nhiều phương pháp như côđặc, hấp thu, chưng cất, trích ly, …được sử dụng nhưng tùy vào đặc tính yêu cầu củasản phẩm mà lựa chọn phương pháp phù hợp nhất Đối với hệ Acetone-Benzene là hệ2 cấu tử tan lẫn hòa toàn nên ta phải dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinhkhiết của Acetone.

Mục đích của quá trình thiết kế đồ án môn học Quá trình và Thiết bị nhằm vận dụngcác kiến thức nền tảng sẵn có để tính toán, thiết kế quy trình công nghệ, kết cấu thiếtbị, bảo toàn vật chất và năng lượng để hệ thống sản xuất hóa chất vận hành ổn định.Ngoài ra cũng trau dồi thêm kinh nghiệm cho sinh viên, những kỹ sư tương lai có nềntảng vững chắc hơn trên con đường phát triển nền Công nghệ Kỹ thuật Hóa học nướcnhà.

Phạm vi thiết kế của đề tài là thiết kế hệ thống chưng cất hệ Acetone - Benzene bằngtháp mâm xuyên lỗ nhập liệu ở trạng thái lỏng sôi với các thông số đầu vào như sau:

Năng suất nguyên liệu: 4500 kg/h

Nhập liệu có nồng độ 35% mol Acetone

Nồng độ sản phẩm đỉnh là 85% mol Acetone

Tỷ lệ thu hồi Acetone là 95%

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu đồ án

Thiết kế tháp mâm xuyên lỗ hoạt động liên tục để chưng cất hỗn hợp Acetone Benzene ở áp suất thường với yêu cầu công nghệ như sau:

- Năng suất nguyên liệu: 4500 kg/h

 Nồng độ đầu nhập liệu (theo tỉ lệ Acetone): 35% mol/mol

 Nồng độ sản phẩm đỉnh (theo tỉ lệ Acetone): 85% mol/mol

 Tỷ lệ thu hồi Acetone là 95%1.2 Tổng quan về Acetone-Benzene

1.2.1 Acetone

Acetone 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 cácthành phần hoạt chất của nước sơn móng tay.

 Công thức phân tử: C3H6O

 Công thức cấu tạo: CH3COCH3

 Nhiệt độ sôi ở: 56,1oC

 Khối lượng mol: 58,04 g/mol

 Khối lượng riêng xét tại 20oC: 791 kg/m3 (tài liệu tham khảo [2] trang 9)

 Độ nhớt xét tại 20oC: 0,322.103 N.s/m2 (tài liệu tham khảo [2] trang 91)

Tương tự như andehyde, Acetone tham gia phản ứng cộng hydro(H2), natri hydrosulfite(NaHSO3), nhưng khác ở chỗ không bị oxi hóa bởi dung dịch AgNO3(khôngtráng gương) và Cu(OH)2 nhưng khi gặp các chất oxh mạnh như KMnO4/ H2SO4;K2Cr2O7/ H2SO4, … thì aceton có thể bị cắt mạch cacbon cạnh nhóm cacbonyl để tạoaxit hữu cơ.

Acetone có khả năng hòa tan nhiều chất hữu cơ và cũng dễ dàng được giải phóng rakhỏi các dung dịch đó (do nhiệt độ sôi thấp) nên được dùng làm dung môi trong sảnxuất nhiều loại hóa chất, kể cả một số polymer

Acetone được ứng dụng nhiều làm dung môi hữu cơ trong công nghiệp (ví dụ cho vàovecni, sơn mài, cellulose acetate, nhựa, cao su…) Nó hòa tan tốt tơ acetate,nitroxenluloz, nhựa phenol fomandehyt, 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 hợpceten, sumfomat (thuốc ngủ), các holofom.

1.2.2 Benzene

Benzene là một hợp chất hữu cơ mạch vòng có công thức hóa học C6H6.Benzene làmột hydrocarbon thơm, trong điều kiện thường là một chất lỏng không màu, mùi dịungọt, dễ chịu, dễ cháy Benzen không phân cực,vì vậy tan tốt trong các dung môi hữucơ không phân cực và tan rất ít trong nước.

1.2.2.3.Ứng dụng

Dùng điều chế nitrobenzene, anilin, tổng hợp phẩm nhuộm, dược phẩm,…Clobenzenlà dung môi tổng hợp DDT, hexacloaran (thuốc trừ sâu), stirene (monome để tổng hợpchất dẻo) và nhiều sản phẩm quan trọng khác,…

Benzene còn dùng làm dung môi, sản xuất dược liệu trong y học, dược học Ngay tờbáo bạn đang cầm trên tay cũng có sự hiện diện của Benzen.

1.3 Tổng quan về chưng cất và thiết bị chưng cất

1.3.1 Khái niệm chưng cất

Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của cùng một hỗn hợp lỏng cũng nhưhỗn hợp khí - lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của cáccấu tử trong hỗn hợp (nghĩa là khi ở cùng một nhiệt độ, áp suất hơi bão hòa của cáccấu tử khác nhau) Được lặp đi lặp lại nhiều lần quá trình bay hơi - ngưng tụ Trong đóvật chất đi từ pha lỏng vào pha hơi hoặc ngược lại.

Khác với cô đặc, chưng cất là quá trình trong đó cả dung môi và chất lỏng hòa tan đềubay hơi, còn cô đặc là quá trình trong đó chỉ có dung môi bay hơi.

Khi chưng cất, ta thu được nhiều sản phẩm và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu đượcbấy nhiêu sản phẩm.

Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường có bao nhiêu cấu tử sẽ thu được bấynhiêu sản phẩm Nếu xét hệ đơn giản chỉ có 2 hệ cấu tử thì ta thu được 2 sản phẩm:Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có áp suất hơi bão hòa lớn (nhiệt độ sôi nhỏ), sảnphẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có áp suất hơi bão hòa nhỏ (nhiệt độ sôi lớn).

1.3.2 Các phương pháp chưng cất

1.3.2.1 Chưng cất đơn giản

Dùng để tách các hỗn hợp gồm các cấu tử có độ bay hơi rất khác nhau Phương phápnày thường dùng để tách sơ bộ hoặc làm sạch các cấu tử khỏi tạp chất.

1.3.2.2 Chưng bằng hơi nước trực tiếp

Dùng để tách các hỗn hợp gồm các chất khó bay hơi và tạp chất không bay hơi,

1.3.2.3 Chưng cất hỗn hợp

Chưng cất là phương pháp phổ biến nhất dùng để tách hoàn toàn hỗn hợp các cấu tử dễbay hơi có tính chất hòa tan một phần hoặc hòa tan hoàn toàn vào nhau Ngoài ra trongtrường hợp các cấu tử của hỗn hợp dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao hoặc hỗn hợp cónhiệt độ sôi quá cao chưng cất được thực hiện ở áp suất thấp Nếu các cấu tử của hỗnhợp không hóa lỏng ở áp suất thường, chưng cất được thực hiện ở áp suất cao

1.3.2.4 Phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp

Sử dụng hơi nước để cấp nhiệt trực tiếp cho đáy tháp: Khi chưng cất hỗn hợp nhập liệuthu được nước ở đáy tháp chưng cất, cấu tử còn lại dễ bay hơi thì ta có thể sử dụng hơinước để cấp nhiệt trực tiếp cho đáy tháp.

Sử dụng nồi đun để cấp nhiệt cho tháp chưng cất: Nồi đun cho tháp chưng cất là thiếtbị trao đổi nhiệt được đặt ở đáy tháp, để cung cấp nhiệt cho hệ thống Có các loại nồiđun cho tháp chưng cất:

 Thiết bị trao đổi nhiệt loại hai vỏ: Dùng cho tháp chưng cất năng suất nhỏ.

 Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ốm chùm: Nồi đun đặt ngoài Chất tải nhiệt nóng đitrong ống, hơi đi vào tháp cân bằng với dòng sản phẩm đáy, do đó nồi đun đượcxem làm một mâm lý thuyết Dùng cho tháp chưng cất năng suất cao

 Thiết bị trao đổi nhiệt đặt đứng Chất tải nhiệt đi ngoài ống, bốc hơi hoàn toànphần lỏng đi vào nồi đun Do đó, hơi có cùng thành phần với dòng sản phẩmđáy

 Thiết bị trao đổi nhiệt nhận dòng lỏng từ mâm đáy và nó chỉ bốc hơi một phần.

1.3.3 Các thiết bị chưng cất

Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để tiến hành chưng cất Tuynhiên yêu cầu cơ bản chung của các thiết bị vẫn giống nhau là diện tích bề mặt tiếp

xúc pha phải lớn, điều này phụ thuộc vào mức độ phân tán của một lưu chất này vàolưu chất kia Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta có các loại tháp mâm, nếu pha lỏngphân tán vào pha khí thì ta có tháp chêm., tháp phun,…

 Tháp mâm: Thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có cấutạo khác nhau, trên đó pha lỏng và pha hơi được cho tiếp xúc với nhau Tuỳtheo cấu tạo của đĩa, ta có:

+ Tháp mâm chóp: Trên mâm bố trí có chóp dạng tròn, xupap, chữ S….

+ Tháp mâm xuyên lỗ: Trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh

 Tháp chêm (tháp đệm): Tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối tiếp nhau bằng mặtbích hay hàn.Vật chêm được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp sau:Xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự.

 Ít tiêu hao nănglượng hơn nên cóít số mâm hơn.

 Hiệu suất thấp, kémổn định.

 Khó chế tạo đượckích thước lớn, quymô công nghiệp. Khó kiểm soát quá

trình chưng cất theokhông gian tháp.

 Kết cấu khá phứctạp

 Trở lực khá cao

 Có trở lực lớn Tiêu tốn nhiều

vật tư, kết cấuphức tạp

Bảng 1 2 So sánh ưu nhược điểm của các loại tháp

Từ các ưu nhược điểm trên Ta nhận thấy, tháp chưng cất mâm xuyên lỗ phù hợp đểphân tách hệ Acetone – Benzene Ngoài ra, chọn tháp mâm xuyên lỗ và tiến hành tínhtoán thiết kế cho đồ án vì tháp mâm xuyên lỗ thích hợp cho thiết bị hoạt động dài lâuvà độ ổn định cao.

CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

2.1 Thuyết minh quy trình công nghệ

Hỗn hợp Acetone – Benzene có nồng độ nhập liệu Acetone 35% theo số mol, nhiệt độkhoảng 250C tại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3) Sauđó hỗn hợp được gia nhiệt ở thiết bị ngưng tụ (4) rồi chuyển vào đun sôi đến nhiệt độsôi trong thiết bị gia nhiệt (5), hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất (6) ở đĩa nhậpliệu.

Trong đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn luyện của tháp chảyxuống Trong tháp, hơi đi từ dưới lên gặp chất lỏng đi từ trên xuống Ở đây, có sự tiếpxúc và trao đổi giửa hai pha với nhau Pha lỏng chuyển động trong phần chưng cấtcàng xuống dưới càng giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi tạo nên từnồi đun (7) lôi cuốn cấu tử dễ bay hơi Nhiệt độ càng lên trên càng thấp nên khi hơi điqua các đĩa từ dưới lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao là Benzene sẽ ngưng tụ lại, cuốicùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử Acetone chiếm nhiều nhất (có nồngđộ đỉnh là 95% mol Acetone) Hơi này đi vào thiếp bị ngưng tụ (8) và được ngưng tụhoàn toàn Một phần chất lỏng ngưng tụ được làm nguội đến 350C, rồi đưa về bìnhchứa sản phẩm đỉnh Phần còn lại được hoàn lưu về tháp ở đĩa trên cùng.

Một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp được bốc hơi, còn lại cấu tử có nhiệt độ sôi caotrong chất lỏng ngày càng tăng Cuối cùng, ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng hầuhết là các cấu tử khó bay hơi (Benzene) Hỗn hợp lỏng ở đáy tháp có nồng độ Acetonelà 0,49 % mol Acetone, còn lại là Benzene Dung dịch lỏng ở đáy tháp đi vào nồi đun(7) Trong thiết bị trao đổi nhiệt dung dịch lỏng một phần sẽ bốc hơi cung cấp lại chotháp để làm việc liên tục, phần còn lại ra khỏi thiết bị vào thiết bị làm nguội sản phẩm

đáy (4) Sau đó, được đưa vào bồn chứa sản phẩm đáy (13) Tỷ lệ thu hồi Acetone là95%.

Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là Acetone Sản phẩm đáy là nướcsau khi trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu được thải bỏ ớ nhiệt độ 600C.

2.2 Sơ đồ quy trình tính toán

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

3.1 Các thông số đầu vào

Chọn loại tháp là tháp mâm xuyên lỗ Thiết bị hoạt động liên tục.

Dung dịch có cấu tử dễ bay hơi là Acetone, cấu tử ít bay hơi là Benzene.

Các thông số đầu vào:

 Năng suất nhập liệu F =4500 kg/h

 Nồng độ nhập liệu (tính theo Acetone): xF = 0,35 (mol/mol)

 Nồng độ sản phẩm đỉnh (tính theo Acetone): xD = 0,85 (mol/mol)

 Tỉ lệ thu hồi Acetone : 0,95

Chọn các thông số khác:

 Nhiệt độ nhập liệu: t’

 Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội: t’D. = 300C

 Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt: t’W. = 600C

 Trạng thái nhập liệu lỏng sôi ở áp suất thường.

 Khối lượng riêng của Benzene: 0,8786 g/cm3

 Khối lượng riêng của Acetone: 784,5 kg/m3

 Khối lượng phân tử Benzene: 78

 Khối lượng phân tử Acetone: 583.2 Cân bằng vật chất

3.2.1 Xác định suất lượng sản phẩm đỉnh và đáy

Phương trình cân bằng vật chất và năng lượng cho toàn tháp: F = D + W (3.1)

Đối với cấu tử dễ bay hơi (Acetone): F.xF = D.xD + W.xW (3.2)

Với xF = 0,35 (mol/mol), suy ra phần khối lượng dòng nhập liệu:

Với: xW = 0,0224(mol/mol), suy ra phần khối lượng dòng sản phẩm đáy:

Vậy:

4500( / )1530,55( / )

Các số liệu tính toán được tổng hợp ở bảng 3 như sau:

Bảng 3 1 Suất lượng nhập liệu, đỉnh, đáy

Nồngđộ x(mol/

Phân tửlượng

trungbìnhMtb (kg/

3.2.2.1.Xác định tỷ số hoàn lưu tối thiểu

Tỷ số hoàn lưu tối thiểu là tỷ số hoàn lưu ứng với lượng hoàn lưu nhỏ nhất mà có thểđảm bảo được năng suất và hiệu suất của thiết bị lí tưởng

Với hệ Acetone-Benzene, đường cân bằng có khoảng lõm, nên ta xác định Rmin bằngcách:

 Từ điểm (xD;xD), vẽ đường tiếp tuyến với đường cân bằng.

 xD

Rmin là giá trị tung độ của giao điểm giữa trục tung và đường tiếp tuyến.

02 04 06 08 01 0 01 2 00

Từ đồ thị ta thấy giao điểm giữa tiếp tuyến và trục tung có tung độ ≈ 0.30

Chỉ số hồi lưu tối thiểu của tháp chưng cất:

3.2.2.2.Xác định tỷ số hoàn lưu thích hợp

Ta có: R1,3Rmin 0,3 (Công thức IX.25b/159, [2])

= 2,2

Chỉ số hoàn lưu thích hợp tính gần đúng:

R = (1,2÷2,5) Rmin (Công thức IX.25a/158, [3])

Kiểm tra lại điều kiện: R = 2,2= 1,5.Rmin (Thỏa mãn điều kiện trên)

3.2.3 Phương trình đường làm việc

.0,02242, 2 1,164 2, 2 1,164

3.2.4 Xác định số mâm lý thuyết và mâm thực tế

3.2.4.1.Xác định số mâm lý thuyết

Hình 3 2 Đồ thị xác định số mâm lý thuyết hệ Acetone – Benzene

Từ đồ thị ta có 17 mâm lý thuyết, trong đó:

(Công thức IX.59/170, [3]) (3.11)

Trong đó:

Trong đó:

+ x - phần mol của acetone trong pha lỏng

+ y* - phần mol của acetone trong pha hơi cân bằng với pha lỏng

Xác định ηF, xét tại mâm nhập liệu ta có:

Với xF = 0,35 ; tra đồ thị cân bằng của hệ, ta có: y¿F

= 0,533 ; tF = 68,150C Suy ra:

Xác định ηW, xét tại mâm nhập đáy ta có:

Với xW = 0,0224 tra đồ thị cân bằng của hệ, ta có: yW¿

Từ tW = 79,290C, tra bảng I.101 [1], ta có:

Độ nhớt Acetone 𝜇 =0, 2011.103 N.s/m2



mâm

3.3.Cân bằng năng lượng

1 – Đoạn chưng; 2 – Thiết bị đun nóng; 3 –Đoạn luyện; 4 – Bồn cao vị

5 – Thiết bị ngưng tụ hồi lưu;

Hình 3 3 Sơ đồ thiết bị chưng luyện

7 – Bồn chưa sản phẩm đỉnh;8 – Bồn chứa sản phẩm đáy;

9 – Bộ phận quan sát

3.3.1 Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện

Cân bằng nhiệt lượng trao đổi toàn tháp là:

Nhiệt lượng dòng nhập liệu mang vào tháp là:

Vậy nhiệt lượng dòng nhập liệu mang vào tháp là:

Ta lấy sản phẩm là hơi lỏng sôi (không lấy hơi lỏng nguội) nên Qng2 = 0

Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp

QD QDQW Qxq QF  QR

(Công thức IX.156/197,[2])

2934,974.10 ( / )2

WQD