Đồ án quá trình thiết bị thiết kế tháp mâm chóp chưng cất hệ benzen toluen

3.Các số liệu ban đầu: Năng suất nhập liệu: 1tftítíkg/h Nồng độ nhập liệu: 3tí% phần khối lượng Nồng độ sản phẩm đỉnh: 9tí% phần khối lượng Nồng độ sản phẩm đáy: 5% phần mol 4.Yêu cầu về

BO CONG THUONG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG THƯƠNG TP HO CHi MINH

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

Nhiệm vụ của đồ án

1.Tén đồ án: Thiết kế tháp mâm chóp chưng cất Benzen-Toluen

2.Nhiệm vụ của đồ án: Tính toán thiết kế chưng cất, xây dưng qui trình công nghệ và tính toán thiết bị phụ

3.Các số liệu ban đầu:

Năng suất nhập liệu: 1tftítíkg/h

Nồng độ nhập liệu: 3tí% phần khối lượng

Nồng độ sản phẩm đỉnh: 9tí% phần khối lượng

Nồng độ sản phẩm đáy: 5% phần mol

4.Yêu cầu về thuyết minh và tính toán

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

Thuyết minh qui trình công nghệ 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, )

LỜI MỞ ĐẦU

Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển đóng góp to lớn cho nền công nghiệp nước ta nói riêng và thế giới nói chung Một trong những ngành có đóng góp vô cùng to lớn

đó là ngành công nghiệp hóa học, đặc biệt là ngành sản xuất hóa chất cơ bản

Hiện nay, các ngành công nghiệp cần sử dụng rất nhiều hóa chất có độ tỉnh khiết cao Nhu cầu này đặt ra cho nhà sản xuất hóa chất sử dụng nhiều phương pháp để nâng cao độ tỉnh khiết cho sản phẩm như: trích ly, chưng cất, cô đặc, hấp thu, Tùy theo đặc tính của sản phẩm mà ta có sự lựa chọn phương pháp phù hợp Đối với hệ Benzen - Toluen là hệ hai cấu tử tan lẫn vào nhau, ta chọn phương pháp chưng cất

để nâng cao độ tinh khiết cho Benzen

Đồ án môn học Quá trình & Thiết bị là một môn học mang tính tổng hợp trong quá trình học tập của các kỹ sư Công nghệ hóa học tương lai Môn học này giúp sinh viên

có thể tính toán cụ thể: qui trình công nghệ, kết cấu, giá thành của một thiết bị trong sản xuất hóa chất - thực phẩm Đây là lần đầu tiên sinh viên được tận dụng kiến thức giải quyết các vấn đề về kỹ thuật thực tế một cách tổng hợp

Nhiệm vụ của đồ án là thiết kế tháp mâm chóp để chưng cất hỗn hợp Benzen - Toluen ở áp suất thường với sản phẩm đỉnh (Benzen) có nồng độ 9tí% phần khối lượng Benzen, nồng độ sản phẩm đáy là 95% phần mol Toluen, nồng độ nhập liệu là 3ti% phần khối lượng Benzen, nhập liệu ở trạng thái lỏng sôi

Mục lụ

47199) icuriio)icle 0Š aa ÔỎ 1

IL LÝ THUYẾT CHƯNG CẤTT 5:26 ScctEExtcrxeEkEerkxcrkerrxrrrererree 1

1.1 Khai NIGIM 5777 = 1

1.2 Phương pháp chưng cất - ¿(c1 ng Hư 1

II Thi€t bi CHUNG Cat 31 2

IL GIỚI THIỆU VÉ NGUYÊN LIỆU .2-2©5c©c++cccccxecxeceecreee 3

1.2 Hỗn hợp Benzen - TolUen ¿s55 xe krrkexrree 4

CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CÔNG NGHẸ, c0 1 11 111212111 111101101101 10 01 ray 5

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH 6-56 SE kEEEExrekgrrsrkreerxee 6

II 079 ca/vieorv -: ÒỎ ó

IL SỐ MÂM LÝ THUYÊT -:-©+©+<£©c+€EeEExtEExerkerkerkerkerrerrerrrree 7

II "98.0 0:09 làn 1tí

IV ĐƯỜNG KÍNH THÁP ¿©ccccccccceccxecreerrrerrerrrrrrx 12

V CHIEU CAO THA .ccscsssesssesssesssecssessecssucssscsssesveesccsseeeseesveessesseeeseeeseess 18

VI 90500925 = H , 18 VII TÍNH TOÁN CƠ KHÍ - 5-55 25Sc re crxeExrkerrrrreerrrrrrrrereee 23 VII TÍNH CÁC CHI TIẾT ÔNG DẪN ¿ccccccccccecrrerrerrrrreee 26

IX TÍNH BÍCH VÀ ĐỆM ĐỀ NÓI VÀ BÍT KÍN THIẾT BỊ 28

X TAT TREO VA CHAN ĐỠ s-ceccct+ che 28

XI CAN BANG NANG LU ONG es cssessesssssssscsseessecesseesecsseescessseseesecsseaeeeess 29

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ

I THIẾT BỊ TRAO ĐỎI NHIỆT 555622 St sxstrrerrrrvee

1.1 _ Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh c5 cccccccsx

[1] GS, TS Nguyén Bin;PGS, TS Đỗ Văn Đài;KS Long Thanh Hùng;TS Đỉnh Văn Huỳnh;

TS Trần Xoa;PGS, TS Nguyễn Trọng Khuông; KS Hồ Lệ Viên; TS Phan Văn Thơm; TS

Phạm Xuân Toản.(1978).Sổ tay QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ HOÁ CHẤT TẬP

1 Nơi xuất bản: Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội

[2] GS, TS Nguyễn Bin;PG5S, TS Đỗ Văn Đài;KS Long Thanh Hùng;TS Dinh Van Huynh;

TS Trần Xoa;PGS, TS Nguyễn Trọng Khuông; KS Hồ Lệ Viên; TS Phan Văn Thơm; TS

Phạm Xuân Toản.(1978).Sổ tay QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ HOÁ CHẤT TẬP

2 Nơi xuất bản: Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội

[3] KS Hồ Lệ Viên.(2titíó) Tính toán, thiết kế các chỉ tiết thiết bị hoá chất và dầu khí

Nơi xuất bản: Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội

CHUONG 1: TONG QUAN

LLY THUYET CHUNG CAT

1.1 Khai niém

Chung cat la qua trinh dung dé tách các cầu tử của hỗn hợp lỏng cũng như hỗn hợp

khí lỏng thành các cầu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơn khác nhau của các cầu tử

trong hỗn hợp (nghĩa là khi ở cùng nhiệt độ, áp suất hơi bão hòa của các cầu tử khác

nhau)

Thay vì đưa vào trong hỗn hợp một pha mới đề tạo nên sự tiếp xúc giữa hai pha như

trong quá trình hấp thu hoặc nhả khí, trong quá trình chưng cất pha mới được tạo nên

bằng sự bốc hơi hoặc ngưng tụ

Chưng cất và cô đặc khá giống nhau, tuy nhiên sự khác nhau căn bản nhất của hai quá

trình này là trong quả trình chưng cât dụng môi và chat tan deu bay hơi (nghĩa là các

cầu tử đều hiện diện trong hai pha nhưng với tý lệ khác nhau), còn trong quá trình cô

đặc thì chỉ có dung môi bay hơi còn chất tan không bay hơi

Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường thì bao nhiêu cầu tử sẽ thu được

bay nhiêu sản phâm Nếu xét hệ đơn giản chỉ có hai cầu tử thì ta sẽ thu được hai sản

phâm:

Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm các cầu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt độ sôi nhỏ)

Sản phẩm đáy chủ yếu gồm các cầu tử có độ bay hơi nhỏ (nhiệt độ sôi lớn)

Đối với hệ Benzen - Toluen

Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm Benzen và một ít Toluen

Sản phẩm đáy chủ yếu gồm Toluen và một ít Benzen

1.2 Phương pháp chưng cất

Trong thực tế sử dụng các phương pháp chưng cất sau đây:

- Chung cat don gian:

Dùng đề tách các hỗn hợp gồm các cấu tử có độ bay hơi rất khác nhau Phương pháp

này thường dùng đề tách các sơ bộ hoặc làm sạch các cầu tử khỏi tạp chất

- _ Chưng cất bằng hơi nước trực tiếp:

Dùng đề 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

- Chung cat:

Chưng cắt là phương pháp phô biến nhất dùng đề tách hoàn toản hỗn hợp các cầu tử

dé bay hơi có tính chất hòa tan một phan hoặc hòa tan hoàn toàn vào nhau

Ngoài ra trong trường hợp các cầu tử của hỗn hợp dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao hoặc

hôn hợp có nhiệt độ sôi quả cao chưng cât được thực hiện ở áp suât thập Nêu các cầu

tử của hôn hợp không hóa lỏng ở áp suât thường, chưng cât được thực hiện ở áp suât

cao

Đối với hệ Benzen - Toluen, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục ở áp suất

thường

1.3 Thiét bi chưng cất

Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để thực hiện quá trình

chung cat - hap thu Tuy nhiên, yêu cầu cơ bản chung cho các thiết bị vẫn giống nhau,

nghĩa là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều này phụ thuộc vào mức độ phân

tán của một lưu chất này vào lưu chất kia 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 Ở

đây ta khảo sát hai loại thường dùng là tháp mâm và tháp chêm

Tháp mâm: gồm thân tháp hình trụ thắng đứng trong có gắn các mâm có cầu tạo khác

nhau trên đó pha lõng và pha hơi được cho tiếp xúc với nhau Chất lỏng di vào › tháp Ở

đỉnh hoặc tại một mâm thích hợp nào đó và chảy xuống do trọng lực qua mỗi mâm

bằng ống chảy chuyên, Pha hơi hoặc pha khí đi từ dưới lên qua mỗi mâm bằng các

khe hở trên mâm do câu tạo khác nhau của mâm tạo nên Quá trình chung của cả tháp

được xem như là tiếp xúc pha nghịch dòng mặc dù trên mỗi mâm hai pha tiếp xúc

giao dòng

Tháp mâm chóp: trên mâm có gắn chóp và ống chảy chuyên, ống chảy chuyên có thê

có tiết diện hình tròn, viên phân, một ống hay nhiều ống tùy suất lượng pha lỏng

Chóp có thê có hình tròn hay một dạng khác Ở chóp có rãnh xung quanh đề pha khí

đi qua, rảnh chóp có thê hình chữ nhật, tam giác hay hình tròn

Tháp mâm xuyên lỗ: Trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh, mâm phải thật ngang bằng khi

lắp vào tháp, ít dùng mâm xuyên lỗ vì khi đó chất lỏng phân phối không đều trên

mâm Trong tháp mâm xuyên lỗ pha khí đi từ dưới lên qua các 16 trên mâm và phân

tán vào lớp chất lỏng chuyền động từ trên xuống theo các ống chảy chuyền Ông chảy

chuyền ở đây cũng được bồ trí như ở tháp mâm chóp

Tháp chêm (tháp đệm): Là tháp hình trụ gồm nhiều bậc nối với nhau bằng mặt bích

hay hàn Vật chêm được đồ đây trong tháp theo một trong hai phương pháp: xếp ngẫu

nhiên hay xếp thứ tự

Vật chêm sử dụng gôm có nhiêu loại khác nhau, phô biên nhật là một số loại vật chêm

sau: vòng Raschig, vật chêm hình yên ngựa, vật chêm vòng xoắn,

Tháp chêm Tháp mâm xuyên lỗ Tháp chóp

Ưu - Cầu tạo đơn giản - Tro lực tương đối | - Khá ôn định

- Hiệu suất khá cao

- Làm việc được với chất - Ít tiêu hao năng lỏng bản nếu dùng đệm cầu | - Chế tạo đơn giản lượng hơn nên có

có p # p của chat long số mâm ít hơn

- Vệ sinh dễ dàng

Nhược |- Do có hiệu ứng thành — | Yéu cầu lắp đặt cao, | - Có trở lực lớn

điểm hiệu suất truyền khối thấp mâm lắp phải rất

- Độ ôn định không cao, khó vận hành

- Thiết bị khá nặng nề

phẳng, đối với những tháp có đường kính quá lớn ít dùng mâm xuyên lỗ vì chất lỏng

khó phân phối đều

trên mâm

- Chế tạo phức tạp

- Tiêu tốn nhiều vật tư, kết câu phức tạp

I GIỚI THIỆU VỀ NGUYÊN LIỆU

1.1 Benzen & Toluen

Benzen là mộthợp chất hóa học hữu cơcócông thức phân tir CoH Phan

tử benzen bao gồm sáu nguyên tử cacbon liên kết với nhau thành một vòng lục giác

phẳng với một nguyên tử hydro gắn vào mỗi vòng Vì chỉ chứa các nguyên

tử cacbon và hydro nên benzen được phân loại là hydrocacbon

Benzen là thành phân tự nhiên của dầu mỏ và là một trong những chất hóa dầu cơ

bản Do các liên kết pi liên tục theo chu ky giữa các nguyên tử carbon benzen được

phân loại là hydrocacbon thơm Benzen là chất lỏng không màu, rat dé cháy, có mùi

ngọt và một phần tạo ra mùi thơm của xăng Nó được sử dụng chủ yếu như là tiền

chat dé san xuat cac hóa chất có câu trúc phức tạp hơn, chẳng hạn

như ethylbenzen và cumen, trong đó hàng tỷ kg được sản xuất hàng năm Mặc du

benzen là một hóa chất công nghiệp chính nhưng nó được sử dụng hạn chế trong các

mặt hàng tiêu dùng vì tính độc hại của nó Benzen là một hợp chất hữu cơ để bay hơi

Benzen được phân loại là chất gây ung thư

Các tính chất vật lí của Benzen:

Khối lượng phân tử: 78,114 g-mol 7

Tỉ trong: 0,8765(20) g/cm?

Độ nóng chảy: 5,53 °C (41,95 °F; 278,68 K)

Điểm sôi: 80,1 °C (176,2 °F; 353,2 K)

Toluene là một hydrocacbon thơm thạy thế có công thức hóa học CaH;:CH:, thường

viết tắt là PhCH;, trong đó Ph là viết tắt của nhóm phenyl Nó là một chất lỏng không

màu, không tan trong nước, có mùi liên quan đến chất pha loãng sơn Nó là một dẫn

xuất benzen được thế đơn, bao gồm một nhóm metyl(CH;) gắn với một nhóm

phenyl bằng một liên kết đơn Như vậy, tên hệ thống IUPAC của nó là methylbenzen

Toluene chủ yếu được sử dụng làm nguyên liệu công nghiệp và dung môi

Là dung môi trong một sô loại chất pha loãng sơn, chất đánh dấu vĩnh viễn, xi măng

tiếp xúc và một sô loại keo, toluene đôi khi được sử dụng làm chất hít giải trí và có

khả năng gây tôn hại thần kinh nghiêm trọng

CHUONG 2: QUY TRINH CONG NGHE

Hỗn hợp Benzen - Toluen có nồng độ nông độ Benzen là 30% (phần khối lượng),

nhiệt độ nguyên liệu lúc đầu là 30°C tại bình chứa nguyên liệu, được bơm bơm lên

thiết bị truyền nhiệt Dòng nhập liệu được gia nhiệt tới nhiệt độ sôi (97,4°C) trong

thiết bị truyền nhiệt ống chùm Sau đó hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất ở đĩa

nhập liệu và bắt đầu quá trình chưng cất Lưu lượng dòng nhập liệu được kiểm soát

qua lưu lượng kế

Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với pha lỏng từ đoạn cất của tháp chảy xuống

Trong tháp, hơi đi từ dưới lên gặp dòng lỏng đi từ trên xuống Ở đây có sự tiếp xúc và

trao đôi giữa hai pha với nhau Pha lỏng chuyên động trong phần chưng càng xuống

phía dưới cảng giảm nồng độ các cầu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi từ nỗi đun lôi

cuốn cầu tử dễ bay hơi Nhiệt độ càng lên trên càng thấp, nên khi hơi di qua các dia từ

dưới lên thì cầu tử có nhiệt độ sôi cao là Toluen sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh

tháp ta thu được hỗn hợp có chứa Benzen chiếm nhiều nhất (90% phần khối lượng)

Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ được ngưng tụ hoàn toàn Một phần chất lỏng ngưng

tụ đi qua thiết bị làm nguội sản phâm đỉnh, được làm nguội bằng thiết bị trao đôi nhiệt

ống chùm rồi đưa qua bồn chứa sản phâm đỉnh Phần còn lại của chất lỏng được

ngưng tụ hoàn lưu trở lại tháp ở đĩa trên cùng với tỉ lệ hoàn lưu thích hợp và được

kiểm soát bằng lưu lượng kế Cuối cùng ở đáy tháp thu được hỗn hợp hâu hết là cầu

tử khó bay hơi (Toluen) Hỗn hợp ở đáy có nồng độ là 95% phần mol Toulen, còn lại

là Benzen Dung dịch lỏng ở đáy đi ra khỏi tháp vào nồi đun Trong nồi đun một phần

lỏng sẽ bốc hơi cung cấp lại vào tháp đề thấp tiếp tục làm việc, phần còn lại ra khỏi

nổi đun qua thiết bị làm nguội sau đó vào bồn chứa sản phẩm đáy

Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phâm đỉnh là Benzen, sản phẩm day la Toluen

CHUONG 3: TINH TOAN THIET BI CHINH

Khối lượng phân tử Benzen Ms = 78

Khối lượng phân tử Toluen Mr = 92

Goi F, W, D lần lượt là năng suất nhập liệu, sản phâm đáy và đỉnh

I CAN BANG VAT CHAT

Ta có hệ phương trình

F=D+W F.xr=D.xp+W.Xự

11,45=D+W 11,45.0,336= D.0,914+ W 0,05

Bang 2 Tom tat các thông số nồng độ trong quá trình chưng cất

Nhiệt độ sôi Thành phần của Benzen trong hỗn hợp

Phân khối lượng | Phần mol x (%) Phân mol y (%)

- Phuong trinh lam việc đoạn chưng:

Lượng hỗn hợp nhập liệu so véi san pham dinh (f):

1t

a=

Trong đó:

x,y: nồng độ cấu tử dé bay hoi trong pha long va pha khí

¢ Độ bay hơi tương đối tại đỉnh tháp:

œ=—Tp 1—Xs 03989_ 1-0/914_„,

P`1—yp xp -1-0,959" 0,914”

¢ Độ bay hơi tương đối tại nhập liệu:

12

- D6 nhot cua dung dich:

Bang 3 Độ nhớt của Benzen-Toluen theo nhiệt độ

n: so dia tinh hiéu suat

TỊi ,TỊs, ,fỊu: hiệu suất của các bậc thay đôi theo nông độ

Hiệu suá trung bình là hàm số của độ bay hơi tương đối của hỗn hợp và độ nhớt của

IV DUONG KiNH THAP

- Xét doan cat

+ Xác định gụ

G,=G,„ R=300/9.2,05=616,8 2

g,=G,+G,=616,8+300,9=917,7 *

Gp: luong san pham dinh (kg/h)

Gr : lượng chất lỏng hồi luu (kg/h)

ga: luong hoi trung binh di ra khỏi đoạn cất (kg/h)

ơi lượng hơi di vào đĩa dưới cùng của đoạn cất (kg/h)

yi: ham lượng hơi đối với đĩa thứ nhất của đoạn cất

G¡ : lượng lỏng đối với đĩa thứ nhất đoạn cất (kg/h)

x¡ : nồng độ phần khối lượng vào đĩa thứ nhất, lây bằng nồng độ nhập liệu

r¡ : ân nhiệt hoá hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất

ra : ân nhiệt hoá hơi của hỗn hợp đi ra khỏi đỉnh tháp

g,=G,+ 300,9

9, ¥,=G, 0,3+300,9.0,9 g,(11065,72 y,+369744,68|=917,7.390604,5

G,=g,+W

Gy X= 91 SwtW Xu

g¡-T¡=0aTa—0iTn

Trong đó:

ø` : lượng hơi đi vào đoạn chưng (kg/h)

Œ`:: lượng lỏng di trong đoạn chung (kg/h)

xì: hàm lượng lỏng

r`¡ : ân nhiệt hoá hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng

r`„ : ân nhiệt hoá hơi của hỗn hợp đi vào đĩa trên cùng của đoạn chưng

G ,=g,+700 G,.X ,=g ,.0,0427 + 700.0,0427

Mi, M2 : khéi lượng mol của cầu tử 1 và 2

T: nhiệt độ làm việc trung bình của tháp (K)

(py.œ0,|„=0,065 „ |.vVh Duy Dạy

Pub, Py»: khéi long riéng trung bình của pha lỏng và pha hơi tinh theo nhiệt độ trung binh (kg/m*)

fo) : hé s6 tinh dén site cing bé mat

o <20 dyn/cm thi o;.)=0,8

o > 20 dyn/cm thi o,.)=1

h: khoang cach giira cac dia gia tri cna h chọn theo bảng đường kính tháp