Thiết kế hệ thống tháp mâm xuyên lỗ chưng cất hệ benzen toluen

Khai niém Chung cat la qua trình dùng để tách các cầu tử của một hỗn hợp lỏng cũng như hỗn hợp khí lỏng thành các cầu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

Giảng viên hướng dẫn: Th§ Phạm Văn Hung

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đình Minh Trí

BỘ CÔNG THƯƠNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT

MINH Độc lập — Tự do — Hanh phúc

NHIEM VU TINH TOAN HE THONG VA THIET KE

THIET BI CONG NGHE HOA HOC

KHOA: CONG NGHE HOA HOC

BO MON: MAY & THIET BI

HỌ VÀ TÊN: Nguyễn Dinh Minh Tri MSSV: 20036981 LÓP:DHHOI6ATT

1 Tên đề tài: Thiết kế hệ thống tháp mâm xuyên lỗ chưng cất hệ Benzene -

Toluene

2 Nhiệm vụ đề tài (Số liệu ban đầu và nội dung thực hiện)

` Số liệu ban đầu:

- Năng suất theo nhập liệu: 1800 kg/h

- Nong độ nhập liệu 28% phan khối lượng, sản phâm đỉnh 89% phan khối lượng

Benzene, san phẩm đáy 14% phân khôi lượng Benzene

- Áp xuất làm việc khí quyền

° Nội dung thực hiện: -

- Tong quan ve cac câu tử trong hônhợp -

-._ Thiết kệ và thuyết minh quy trình chung cat

- Tinh toan can bang vat chat va can bang nang luong

- Tinh toan thiết kê thiết bị chung cat

- Tinh toan thiét bi phu

- Bán vẽ AI sơ đồ QTCN

-._ Bản vẽ AI chí tiết thiết bị chính

- Ban vé Al mat bang bo tri thiet bị

3 Ngày giao nhiệm vụ đề tài:

4 Ngày hoàn thành nhiệm vụ:

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2021

(Ký và ghi rõ họ tên) Trần Hoài Đức Phạm Văn Hưng

CHUONG I: TONG QUAN 1.CO SO LY THUYET VE CHUNG CAT

1.1 Khai niém

Chung cat la qua trình dùng để tách các cầu tử của một hỗn hợp lỏng cũng như

hỗn hợp khí lỏng thành các cầu tử riêng biệt dựa vào 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 tử khác nhau)

Thay vì đưa vào trong hỗn hợp một pha mới để 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

Trong trường hợp đơn giản nhất, chưng cất và cô đặc không khác gì nhau, tuy nhiên giữa hai quá trình này có một ranh giới cơ bản là trong quá trình chưng cất dung môi và chất tan đều bay hơi (nghĩa là các cầu tử đều hiện diện trong cả hai pha nhưng với ty lệ khác nhau), còn trong quá trình cô đặc thi chỉ có dung môi bay hơi còn chất tan không bay hơi

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

được bấy nhiêu sản phẩm Nếu xét hệ đơn giản chỉ có 2 cầu tử thì ta thu được 2 sản

Đối với hệ Benzen— Toluen thì:

Sản phâm đỉnh chủ yếu là Benzen

Sản phâm đáy chủ yếu là Toluen

Chưng cất gồm các phương pháp như:

- Áp suất thấp

- Áp suất thường

- Ap suat cao

- Phân loại theo nguyên lý làm việc

- Chưng đơn giản

- Chưng bằng hơi nước trực tiếp

- Chưng cất đa cầu tử

1.3 So sánh ưu nhược điểm của các loại tháp

Bang 1 So sánh ưu nhược điểm của các loại tháp

Tháp đệm Tháp mâm xuyên | Tháp mâm chóp

lỗ

Ưu điểm - Cấu tạo đơn - Trở lực - Khaén

-_ Trở lực thấp thấp -_ Hiệu suất -_ Làm việc được - Hiệu suất cao

với chất lỏng cao

ban

Khuyét diém - Hiéu suat - Khéng ding - Có trở lực

-_ Độ ôn định ban nhiéu vat

2 TONG QUAN VE NGUYEN LIEU

- Phản ứng với oxy: benzene chảy trong không khí tạo ra Ô› và HO, ngọn lửa có

nhiều khói đen và mụi than

- Phan ứng thế với Brom: Benzene không làm mất màu dung dịch Brom Nó chỉ tham gia phản ứng thế với Brom lỏng và cần xúc tác bột sắt

- Benzene khó tham gia phản ứng cộng

Về ứng dụng:

Benzene là nguyên liệu dùng để tổng hợp phẩm nhuộm và dược

phẩm, diéu ché nitro benzene, anilin, tổng hợp DDT, thuốc trừ sâu và nhiều sản phẩm khác,

- Toluene tham gia phan ứng với khí clo tạo thành diclometan và

axtt HCI trong điều kiện có sự xúc tác của ánh sáng

Chk + CsHsCH3 > HCl + CeHsCH2Cl

- Toluene tham gia phan ứng voi nitro hoa tao ra nitrotoluen va nudc

- Toluene tham gia phan ứng cộng với H2 tạo ra methylcyclohexan

- Toluene tham gia phan ứng oxy hóa với nhóm methyl

3 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ VÀ THUYÉT MINH

3.1 Quy trình công nghệ

Thuyết minh quy trình công nghệ: Hỗn hợp Benzene - Toluene có nồng độ Benzene 28% (theo khối lượng), nhiệt độ khoảng 30°C tại bình chứa nguyên liệu

được bơm P-101 vận chuyển lên thiết bị gia nhiệt nhập liệu E-101 theo dòng số 3 Ở

đây, hỗn hợp được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi 98 ,125°C Sau đó, hỗn hợp được đưa

vào tháp chưng cất D-101 ở đĩa nhập liệu

Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn cất của tháp chảy xuống Trong tháp hơi đi từ dưới lên gặp chất lỏng 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 đướởi càng giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi tạo nên

từ nổi đun lôi cuốn cấu tử dễ bay hơi Nhiệt độ càng lên trên càng thấp, nên khi hơi

đi qua các đĩa từ dưới lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao là Benzene sé ngưng tụ lạt,

cuối cùng trên đính tháp ta thu được hỗn hợp có cầu tử Benzene chiếm nhiều nhất

Dòng sản phẩm đi ra ở đáy tháp sẽ được đưa vào nồi đun E-104 Tại đây, hơi bốc lên sẽ được hoàn lưu lại mâm đưới cùng của tháp, dòng sản phẩm đáy được đưa đến thiết bị làm nguội sản phẩm đáy E-105 trước khi đưa ra bồn chứa sản phẩm đáy V-

103 Tại đỉnh tháp, dòng hơi sản phẩm đỉnh sẽ được đưa qua thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh E-102, sau khi hơi được ngưng tụ sẽ đưa đến van chia dòng Dòng lỏng

chứa nhiều cấu tử khó bay hơi sẽ được bơm bơm hoàn lưu về mâm trên cùng của tháp Dòng sản phâm đỉnh sẽ được đưa đến thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh E-103 trước khi đưa ra bồn chứa sản phẩm đỉnh V-102 và kết thúc quá trình chưng cất

CHƯƠNG II: CAN BANG NANG LƯỢNG

1 CAC THONG SO BAN DAU

- Nang suat nhập liệu là 1800 kg/h

- Néng dé nhdp liéu Xp = 28% khdi hrong

-_ Nông độ sản phẩm đỉnh X;= 89% khối lượng

Nông độ sản phẩm đáy X„= 14% khối lượng

- Cac théng số khác tự chọn

nN SUAT LUONG SAN PHAM DAY VA SAN PHAM DINH

Ap dung phuong trinh can bang vat chat:

Bang 2, Bảng kết quả giá tri tính toán tại các dòng

Nông độ phần Nông độ Lưu lượng Lưu lượng mol phần khôi mol (kmol/h) khôi lượng (kmol/kmol) | lượng (kg/kg) (kg/h)

Nhập liệu 0,314 0,28 20,548 1800 Sản phẩm đỉnh 0,905 0,89 4,235 336 San pham day 0,161 0,14 16,313 1464

Hình 1 Dé thị biểu diễn thành phân lỏng (x)-hơi (y) của hệ Benzen-Toluen 6 760mm

3 CÁC GIÁ TRỊ SUẤT LƯỢNG

Suất lượng khối lượng của dòng hơi tại đỉnh tháp:

D,=D,=1290,24 (7) (Do nhập liệu ở trạng thái lỏng sôi)

Suất lượng mol của dòng lỏng ra khỏi tháp:

D,=D,=16,26(Eneh

4 XÁC ĐỊNH TỶ SÓ HOÀN LƯU LÀM VIỆC

Voi xr = 0,314; thay vào giản đồ cân bằng lỏng - hơi của hệ Benzene —

Toluene, ta được y#F = 52,612%

Yr

_ 0,905—0,526 F"0,526—0,314

Hình 2 Đô thị khảo sát tỷ số hoàn lựu tối thiêu phù hợp

Từ đề thị trên, chỉ số R tối thiêu được xác định bằng 2,84 với b= 1,6

5 CAN BANG NHIET LUONG TAI THIET BI DUN SOI DONG NHAP LIEU

5.1 Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào

Q=F.C, 7)

(Tra Công thức IX.151/196 STQTTB Tập 2)

Trong đó: F: lưu lượng mol hỗn hợp đầu (Kg⁄h)

Cy Nhiét dung riêng hỗn hợp đầu (J/kg.đệ)

tr Nhiệt độ đầu của hỗn hợp nhập liệu (°C)

Tại nhiệt độ t= 30°C, tra bảng I.153/171;172 STỌTTB Tập 1

J Q,=F.C;.t,;Í h )

(Tra Công thức IX.152/196 STQTTB Tập 2)

Trong đó: F: lưu lượng khối lượng hỗn hợp nhập liệu (Kg/h)

Cr: Nhiét dung riêng hỗn hợp nhập liệu (1/kg.độ)

te: Nhiệt độ sôi của hỗn hợp nhập liệu khi ra khỏi thiết bị gia nhiệt

=> Qr = 1800 2075,68 _ 98,124 = 366613243,8 (J/h)

5.3 Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra

J

Qugi = Gagi-C-8,=D,.C,-8,( 7)

(Tra Công thức IX.153/196 STQTTB Tập 2)

Trong đó: G„;: lưu lượng nước ngưng mang ra (Kg/h)

Ci: Nhiét dung riêng của nước ở tại nhiệt độ Ø, (1/kg.độ)

Do hơi đốt ở 3 at nên tra bảng I.249/310 STQTTB Tập 1

=> C, = 4271 (J/kg.độ)

5.4, Nhiệt lượng mắt mát ra môi trường xung quanh

Gia sử: nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh lấy bằng 6% nhiệt tiêu tốn

Q„¡=¿0,06D, rị đ/h)

(Tra Công thức IX.154/196 STQTTB Tập 2)

Do hơi đốt vào thiết bị gia nhiệt ở áp suất 3at nên tra bảng L251/314 STOTTB Tập 1

=>r¡ =2171000 (J/kg)

5.5 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu

(Tra Công thức IX.149/196 STQTTB Tập 2)

Ngoài ra, nhiệt lượng do hơi đốt mang vào Qo,

Qp1=D,.A,(2)

(Tra Công thức IX.150/196 STQTTB Tập 2)

Do hơi đốt ở 3at nên tra bảng I.251/314 STQTTB Tập 1

(Tra Cong thire IX.165/198 STQTTB Tap 2)

Trong đó: P: Lưu lượng mol hỗn hợp sản phẩm đỉnh (Kg/h)

rp: Ấn nhiệt ngưng tụ sản phẩm đỉnh tại nhiệt độ sôi ở đỉnh (J/kg) G,„;.¡: Lượng nước lạnh tiêu tốn cho quá trình ngưng tụ (Kg/h) Cz„z.¡: nhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ trung bình (J/kg.độ) Nhiệt độ nước vào: t,=30° C

Chọn Nhiệt độ nước ra: t;= 45 °C

> Nhiệt độ trung bình của nước:

Tại nhiệt độ x; = 0,905, tra bảng cân bằng lỏng — hơi của hệ Benzene — Toluene

(Tra Công thức IX.167/198 STQTTB Tập 2)

Trong đó: P: lưu lượng mol hỗn hợp sản phẩm đỉnh (Kg/h)

Cp: Nhiệt dung riêng hỗn hợp sản phẩm tại nhiệt độ trung bình

(J/kg.độ)

te: Nhiệt độ sôi đầu vào của hỗn hợp sản phẩm đính (°C)

tp: nhiét độ đầu ra của hỗn hợp sản phẩm đỉnh (°C)

Cz„.› nhiệt dung riêng của nước làm lạnh tại nhiệt độ trung bình (°C)

Ch Nhiệt độ nước vào: t,=30° C

on Nhiệt độ nước ra :t, =38° C

> Nhiệt độ trung bình của nước làm lạnh:

n= 30138 =ysc

Tại nhiệt độ t„= 34°C, tra bảng I.249/310 STQTTB Tập 1

Thay C; với C„„; vào phương trình:

P.Cp [Lp—ts]}=G se: -C„zez- (toh

> 336, 1919,3282,195—35]=G,„„„.4178 (38 - 30)

> G nước2 =910,6(/9)

8 CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG CỦA THÁP CHƯNG LUYEN

8.1 Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra

Qy„=W.Cy.t, ,

Trong đó: W: lưu lượng khối lượng sản phẩm đáy (Kg/h)

Cà: Nhiệt dung riêng dòng sản phẩm đáy (J/kg.d6)

tw: Nhiệt độ sôi của dòng sản phẩm đáy khi ra khỏi đáy tháp (°C) Tại nhiệt dé xw = 0,161, tra bảng cân bằng lỏng — hơi của hệ Benzene — Toluene

(Tra Công thức IX.158/197 STQTTB Tập 2)

Trong đó: Lo: lưu lượng lưu chất hoàn lưu về tháp (Kg/h)

Cro: Nhiệt dung riêng của dòng chất lỏng hoàn lưu (1/kg_độ) tr„: Nhiệt độ của chất lỏng hòan lưu (°C)

Do tro = tp nên Cr¿ được tra theo nhiệt độ tp

Tại ty = 82,195°C, tra bảng I.153/171;172 STQTTB Tập I

Tai nhiét d6 t= 82,195°C, tra bảng I.153/171;172 STQTTB Tập I

Theo công thức chuyên đổi giữa nhiệt lượng riêng và nhiệt hóa hơi, ta có:

A=é Ty, tC, t Trong đó: 2: nhiệt lượng riêng (kJ/kg)

Tạp: nhiệt hóa hơi (kJ/kpg)

C,: nhiệt dung riêng của cấu tử (kJ/kg.độ)

Nhiệt lượng riêng của hỗn hợp hơi mang ra ở đính:

pin, CÀI đị+Âs đ›

F> Àzg;„=559983,78.0,89+540941,26.[1—0,89.= 557889,1 (J/kg)

Thay Apinvao

Q,=P.[1+RI.A,„{ 1)

> Q, = 336 (1+ 2,84) 557889, 1 = 719810832,4 (J/h)

J Qig2= Gago Ca 6,=D) C;.02( ) (Tra Cong thire IX.161/198 STQTTB Tap 2)

Trong dé: G„„;: lưu lượng nước ngưng mang ra khỏi nồi đun (Kg/h)

C;: Nhiệt dung riêng của nước ở tại nhiệt độ 9; (J/kg độ)

Do hơi đốt ở 3 at nên tra bảng I.249/310 STQTTB Tập 1

=> C,= 4271 (I/kg.dd)

8.5 Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào nồi đun

Qo;=D;.À,=D,.(r;+C;8,), (1h)

(Tra Công thức IX.157/197 STQTTB Tập 2)

Do hơi đốt ở 3at nên tra bảng I.251/314 STQTTB Tập 1

> — A,=2730000( ig }

8.6 Nhiệt lượng tôn thất ra môi trường xung quanh Q.„;

Gia sử: nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh lấy bằng 6% nhiệt tiêu tốn ở

9 Cân bằng nhiệt lượng tại thiết bị làm nguội sản phẩm day

Do lưu chất được ngưng tụ hoàn toàn:

Ww Cy-[ tow — tw] = xe: Cordes th

(Tra Công thức IX.167/198 STQTTB Tập 2)

Cụ: Nhiệt dung riêng hỗn hợp sản phẩm tại nhiệt độ trung bình (J/kg.độ)

tw: Nhiệt độ sôi đầu vào của hỗn hợp sản phẩm đáy (°C)

tw: nhiệt độ đầu ra của hỗn hợp sản phâm đáy (°C)

C„z-: nhiệt dung riêng của nước làm lạnh tại nhiệt độ trung bình (°C)

Chon Nhiệ độ nước vào:tf,=30° C

W Cự [tay —fw]= sa: Cec3-[f2— by }

> 1464 1953,71.{103,72—40]=G 443-4178 (46 — 30)

> G nước 3 =2726,39( H

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH

1 PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LÀM VIỆC

V6i gia tri Rein = 2,84 la giá trị hoàn lưu tối thiểu phù hợp cho hệ Benzene —

Toluene, ta thay R„¡a vào phương trình đường làm việc của từng đoạn:

Phương trình đường làm việc của đoạn cất:

- ÑR „Ấn - 2,84 x4 0,905

y pat Re 28441 2,8441

= 0,739x + 0,235 Phương trình đường làm việc của đoạn chưng:

(Tra công thức IX.91/181, Số tay QTTB tập 2)

Luong hoi gi, ham long hoi yi, lveng long G, cha mam thir nhat déi voi doan

cất được xác định theo hệ phương trình sau cân bằng vật liệu sau:

Tiến hành tra công thức IX.93.94.95/182 STQTTB Tập 2:

te =98,124°C, (Tra bảng 1.213 Trang 257, S6 tay QTTB tap 1)

r Benzene

ˆ =380,27( ia )

ru, 369,38)

= T= Tpenzen Yi + (1 — VI) Treauaa= 10,89y, + 369,38

Tat vi tri dinh thap:

tp = 82,195°C, (Tra bang 1.212 Trang 255, S6 tay QTTB tap 1)

xp= 0,905 = yp = 0,961 (phan mol) > y, = 0,954 (phần khối lượng)

Ta=Tpeazen Ye t+ (1 — Ye) rrotuen

Tốc độ hơi trung bình đi trong đoạn cất:

Dựa vào công thức IX.I1I trang 186 Số tay QTTB tập 2, ta có: Tốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp với mâm đĩa có ống chảy chuyền:

Đo

@ =p5|

Pw: khôi lượng riêng trung bình của pha long (kg/m)

Py»: khôi lượng riêng trung bình của pha hơi (kg/m°)

Nông đệ trung bình của pha lỏng:

x= ‘rr _ _ =0,6095

Thay x'„ vào phương trình đường làm việc phan cat:

¥ m= 0,738.x,, + 0,236 = 0,738 0,6095 + 0,236 = 0,685 Nhiệt độ trung bình của pha hoi, pha lỏng từ giãn đồ hệ 2 cầu tử:

@,,=0,85.0,848=0,72 (m/s)

1319,965

2,788 0,72

=> Chon D.4 = 0,5 (m)

2.2 BUONG KINH BOAN CHUNG

Luong hoi trung binh di trong doan chung:

(Tra Công thức IX.97 Trang 182, Số tay tap 2)

Nên D„¿ =0,0188 ị =0,482 (m)

gt go= 99" (kg/h)

VoL

21: lueng hoi di vao doan chung

ø- lượng hơi ra khỏi đoạn chưng

Vì lượng hơi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đoạn luyện nên g`= ø¡

.— địtổi

c> Bw = 2

Lượng hơi đi vào đoạn chưng g`, lượng lỏng Œ) và hàm lượng lỏng x` được xác định theo hệ phương trình cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng: Tiên hành tra công thức IX.98.99.100/182 STQTTB Tập 2:

Ti =Tpenzen- Ywt (1 —¥w ) Troten

Tai tw = 103.72°C (Tra bang I.212 Trang 254, Sé tay QTTB tap 1)

Tốc độ hơi trung bình đi trong đoạn chưng

Nông đệ trung bình của pha lỏng:

¬ Xp tXy 0,314+0,161

Xn 2 2 =0,2375

Thay X „vào phương trình đường làm việc phân chưng:

Vm = 2X'm — 0,162 =2 0,2375 — 0,162 =0,313 Nhiệt độ trung bình của pha hoi, pha lỏng từ giãn đồ hệ 2 cầu tử:

Xn = 0,2375 > t, = 100,85°C

¥ m= 0,313 > t= 103,77°C

Khối lượng riêng pha lỏng (Tra bảng I.2 Trang 9, Số tay QTTB tập 1):

X'm= 0,2375 (phan mol) > x’, = 0,208 (phan khdi lượng) Tait =100,85°C (Tra bang I.2 Trang 9, Sé tay QTTB tap 1)

3 XAC DINH SO MAM LY THUYET VA SO MAM THUC TE

3.1 Xét vi tri mam nhap liéu

kmol

x= 0314 (ot

y;=0,617

Thay xẹ vào giản đồ hệ 2 cấu tử =¿t.„=98,124°C

Theo công thức IX.61/171 QTTB 2, ta có độ bay hơi tương đối: