chung cat benzentuluen

ĐAMH Quá trình & Thiết bị GVHD : Phan Đình Tuấn 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 hoá học, đặc biệt là ngành sản xuất các hoá chất cơ bản. Hiện nay, các ngành công nghiệp cần sử dụng rất nhiều hoá chất có độ tinh khiết cao. Nhu cầu này đặt ra cho các nhà sản xuất hoá chất sử dụng nhiều phương pháp để nâng cao độ tinh khiết của sản phẩm như : trích ly, chưng cất, cô đặc, hấp thu … Tuỳ theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có sự lựa chọn phương pháp cho phù hợp. Đối với hệ benzen – toluen là hệ 2 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 Hoá học tương lai. Môn học này giúp sinh viên có thể tính toán cụ thể : quy trình công nghệ, kết cấu, giá thành của một thiết bị trong sản xuất hoá chất - thực phẩm. Đây là lần đầu tiên sinh viên được vận dụng các kiến thức đã học để giải quyết các vấn đề 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 thưởng với năng suất theo sản phẩm đỉnh(Benzene) là 200 lít/h có nổng độ 98% phần khối lượng benzen, nồng độ sản phẩm đáy là 99% khối lượng Toluene,Nồng độ nhập liệu là 40% khối lượng Benzene, nhập liệu ở trạng thái lỏng sôi. Trang 1 ĐAMH Q trình & Thiết bị GVHD : Phan Đình Tuấn Mục lục Lời mở đầu 3 CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN 4 I. Lý thuyết về chưng cất 5 II. Giới thiệu sơ bộ về ngun liệu 7 CHƯƠNG 2 : QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ 9 CHƯƠNG 3 : CÂN BẰNG VẬT CHẤT 10 I. Các thông số ban đầu 10 II. Xác đònh suất lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy thu được 10 III. Xác đònh tỉ số hoàn lưu làm việc 11 IV. Xác đònh phương trình đường làm việc – Số mâm lý thuyết 13 V. Xác đònh số mâm thực tế 14 CHƯƠNG 4 : TÍNH TOÁN THÁP CHƯNG CẤT 16 I. Đường kính đoạn cất 16 II. Đường kính đoạn chưng 18 III. Trở lực của tháp 20 CHƯƠNG 5 : CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG 22 I. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 22 II. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt nhập liệu 22 III. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đáy 22 IV. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 22 V. Nhiệt lượng cung cấp cho đáy tháp 23 CH ƯƠNG 6: TÍNH TỐN CƠ KHÍ 24 I. Tính tốn thân tháp 24 II. Tính tốn chóp 24 III. Tính tốn đáy nắp thiết bị 25 IV. Bích ghép thân 26 V. Đường kính các ống dẫn – Bích ghép ống dẫn 28 VI. Chân đỡ - tai treo 31 CHƯƠNG 7 : TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHU 33 I. Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 33 II. Thiết bò đun sôi đáy tháp 36 III. Thiết bò làm nguôïi sản phẩm đỉnh 39 IV. Thiết bò làm nguội sản phẩm đáy 43 V. Thiết bị đun sơi nhập liệu 47 VI. Bồn cao vị 50 VII. Bơm 52 Trang 2 AMH Quỏ trỡnh & Thit b GVHD : Phan ỡnh Tun Keỏt luaọn 54 Taứi lieọu tham khaỷo 54 Trang 3 ĐAMH Quá trình & Thiết bị GVHD : Phan Đình Tuấn Chương 1 : TỔNG QUAN I. LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT : 1. Khái niệm : - Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của hỗn hợp lỏng cũng như hỗn hợp khí lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa 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 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. - 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 tử đều hiện diện trong cả hai pha nhưng với tỷ 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 cấu tử sẽ thu được bấy nhiêu sản phẩm. Nếu xét hệ đơn giản chỉ có 2 cấu tử thì ta sẽ thu được 2 sản phẩm :  Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt độ sôi nhỏ)  Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu 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 là toluen và một ít benzen. 2. Phương pháp chưng cất : Các phương pháp chưng cất được phân loại theo : - Áp suất làm việc :  Áp suất thấp  Áp suất thường  Áp suất cao  Nguyên tắc làm việc : dựa vào nhiệt độ sôi của các cấu tử, nếu nhiệt độ sôi của các cấu tử quá cao thì ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi của các cấu tử. - Nguyên lí làm việc :  Chưng một bậc  Chưng lôi cuốn theo hơi nước  Chưng cất - Cấp nhiệt ở đáy tháp :  Cấp nhiệt trực tiếp  Cấp nhiệt gián tiếp Vậy : Đối với hệ Benzen – Toluen, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục ở áp suất thường. 3. Thiết bị chưng cất : Trong sản xuất, người ta thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để tiến hành chưng cất. Tuy nhiên, yêu cầu cơ bản chung của các thiết bị vẫn giống nhau nghĩa là diện tích tiếp xúc pha phải lớn. Điều này phụ thuộc vào mức độ phân tán của một lưu chất này vào lưu Trang 4 ĐAMH Quá trình & Thiết bị GVHD : Phan Đình Tuấn 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 2 loại thường dùng là tháp mâm và tháp chêm.  Tháp mâm : thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có cấu tạo khác nhau, trên đó pha lỏng và pha hơi đượ cho tiếp xúc với nhau. Tuỳ theo cấu tạo của đĩa, ta có : - Tháp mâm chóp : trên mâm bố trí có chóp dạng tròn, xupap, …. - Tháp mâm xuyên lỗ : trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh.  Tháp chêm (tháp đệm) : tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối với nhau bằng mặt bích hay hàn. Vật chêm được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp sau : xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự. So sánh ưu nhược điểm của các loại tháp : Tháp chêm Tháp mâm xuyên lỗ Tháp chóp Ưu điểm - Cấu tạo khá đơn giản. - Trở lực thấp. - Làm việc được với chất lỏng bẩn nếu dùng đệm cầu có ρ ≈ ρ của chất lỏng. - Trở lực tương đối thấp. - Hiệu suất khá cao. - Khá ổn định. - Hiệu suất cao. Nhược điểm - Do có hiệu ứng thành → hiệu suất truyền khối thấp. - Độ ổn định không cao, khó vận hành. - Do có hiệu ứng thành → khi tăng năng suất thì hiệu ứng thành tăng → khó tăng năng suất. - Thiết bị khá nặng nề. - Không làm việc được với chất lỏng bẩn. - Kết cấu khá phức tạp. - Có trở lực lớn. - Tiêu tốn nhiều vật tư, kết cấu phức tạp. Vậy :qua phân tích trên ta sử dụng tháp mâm chóp để chưng cất hệ Benzen – Toluen. II. GIỚI THIỆU VỀ NGUYÊN LIỆU : 1. Benzen & Toluen : Benzen: là một hợp chất mạch vòng, ở dạng lỏng không màu và có mùi thơm nhẹ.Công thức phận tử là C 6 H 6 . Benzen không phân cực,vì vậy tan tốt trong các dung môi hữu cơ không phân cực và tan rất ít trong nước. Trước đây người ta thường sử dụng benzen làm dung môi. Tuy nhiên sau đó người ta phát hiện ra rằng nồng độ benzen trong không khí chỉ cần thấp khoảng 1ppm cũng có khả năng gây ra bệnh bạch cầu, nên ngày nay benzen được sử dụng hạn chế hơn Các tính chất vật lí của benzen: o Khối lượng phân tử: 78,11 o Tỉ trọng(20 0 C): 0,879 o Nhiệt độ sôi: 80 o C o Nhiệt độ nóng chảy: 5,5 0 C Toluen: là một hợp chất mạch vòng,ở dạng lỏng và có tính thơm ,công thức phân tử tương tự như benzen có gắn thêm nhóm –CH 3 . Không phân cực,do đó toluen tan tốt trong benzen.Toluen có tính chất dung môi tương tự benzen nhưng độc tính thấp hơn nhiều, nên ngày nay thường được sử dụng thay benzen làm dung môi trong phòng thí nghiệm và trong công nghiệp. Các tính chất vật lí của toluen: Trang 5 ĐAMH Quá trình & Thiết bị GVHD : Phan Đình Tuấn o Khối lượng phân tử : 92,13 o Tỉ trọng (20 o C) : 0,866 o Nhiệt độ sôi : 111 o C o Nhiệt độ nóng chảy : -95 o C Các phương thức điều chế : o Đi từ nguồn thiên nhiên Thông thường các hidrocacbon ít được điều chế trong phòng thí nghiệm, vì có thể thu được lượng lớn nó bằng phương pháp chưng cất than đá, dầu mỏ…. o Đóng vòng và dehiro hóa ankane o Các ankane có thể tham gia đóng vòng và dehidro hóa tạo thành hidro cacbon thơm ở nhiệt độ cao và có mặt xúc tác như Cr 2 O 3 , hay các lim loại chuyển tiếp như Pd, Pt CH 3 (CH 2 ) 4 CH 3  → 3232 / OAlOCr C 6 H 6 o Dehidro hóa các cycloankane Các cycloankane có thể bị dehidro hóa ở nhiệt độ cao với sự có mặt của các xúc tác kim loại chuyển tiếp tạo thành benzen hay các dẫn xuất cảu benzen C 6 H 12  → PdPt / C 6 H 6 o Đi từ acetylen Đun acetane trong sự có mặt cảu của xúc tác là than hoạt tính hay phức của niken như Ni(CO)[(C 6 H 5 )P] sẽ thu được benzen 3C 2 H 2 → xt C 6 H 6 o Từ benzen ta có thể điều chế được các dẫn xuất của benzen như toluen bằng phản ứng Friedel-Crafts (phản ứng ankyl hóa benzen bằng các dẫn xuất ankyl halide với sự có mặt cảu xúc tác AlCl 3 khan C 6 H 6 + CH 3 - Cl  → 3 AlCl C 6 H 5 -CH 3 2. Hỗn hợp benzen – toluen : Ta có bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Benzen – Toluen ở 760 mmHg.(Tham khảo STT1) Trang 6 x (% phân mol) 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 y (% phân mol) 0 11,8 21,4 38 51,1 61,9 71,2 79 85,4 91 95,9 100 t ( o C) 110,6 108,3 106,1 102,2 98,6 95,2 92,1 89,4 86,8 84,4 82,3 80,2 ĐAMH Quá trình & Thiết bị GVHD : Phan Đình Tuấn Chương 2 : QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ Hỗn hợp Benzen – Toluen có nồng độ Benzen là 40% (phần khối lượng), nhiệt độ nguyên liệu lúc đầu là 30 0 C tại bình chứa nguyên liệu (1), được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3). Dòng nhập liệu được gia nhiệt tới nhiệt độ sôi trong thiết bị truyền nhiệt ống chùm. Sau đó hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất (6) ở đĩa nhập liệu và bắt đầu quá trình chưng cất. Lưu lượng dòng nhập liệu được kiểm soát qua lưu lượng kế (14). Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn luyện của tháp chảy xuống. Trong tháp, hơi đi dưới lên gặp lỏng đi từ trên xuống. Ở đây có sự tiếp xúc và trao đổi giữa hai pha với nhau. Pha lỏng chuyển động trong phần chưng càng xuống phía dưới càng giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi tạo nên từ nồi đun (10) lôi cuốn cấu tữ 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 toluen sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử benzen chiếm nhiều nhất (nồng độ 98% phần khối lượng). Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ (7) được ngưng tụ hoàn toàn. Một phần chất lỏng ngưng tụ đi qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (8), được làm nguội bằng thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống(8) rồi được đưa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh (9). Phần còn lại của chất lỏng ngưng tụ được hoàn lưu về tháp ở đĩa trên cùng với tỉ số hoàn lưu thích hợp và được kiểm soát bằng lưu lượng kế(5). Cuối cùng ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng hầu hết là cấu tử khó bay hơi (Toluen). Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độ Toluene là 99% phần khối lượng, còn lại là Benzene. Dung dịch lỏng ở đáy đi ra khỏi tháp vào nồi đun (10). Trong nồi đun dung dịch lỏng một phần sẽ bốc hơi cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại ra khỏi nồi đun được cho qua thiết bị làm nguội sản phẩm đáy (13) rồi đi vào thiết bị làm nguội sản phẩm đáy(13) sau đó vào bồn chứa sản phẩm đáy(12). Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là Benzen, sản phẩm đáy là Toluen Trang 7 ĐAMH Q trình & Thiết bị GVHD : Phan Đình Tuấn Chương 3 : CÂN BẰNG VẬT CHẤT I. CÁC THƠNG SỐ BAN ĐẦU : Chọn loại tháp là tháp mâm chóp. Khi chưng luyện hỗn hợp Benzen - Toluen thì cấu tử dễ bay hơi là Benzen. Hỗn hợp:    =⇒ =⇒ molgMCHHCToluen molgMHCBenzen T B /92: /78: 356 66  Năng suất sản phẩm đỉnh : D = 200l/h  Nồng độ nhập liệu : x F = 40% phân khối lượng  Nồng độ sản phẩm đỉnh : x D = 98% phân khối lượng  Nồng độ sản phẩm đáy: x W = 99% phân khối lượng  Nhiệt độ nhập liệu: nhập liệu ở trạng thái lỏng sơi  Chọn:  Nhiệt độ nhập liệu: t FV = 94 o C  Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi làm nguội: t WR = 35 o C  Nhiệt độ dòng nước lạnh đi vào: t V = 30 o C  Nhiệt độ dòng nước lạnh đi ra: t R = 40 o C  Các ký hiệu:  F , F: suất lượng nhập liệu tính theo kg/h, kmol/h.  D , D: suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo kg/h, kmol/h.  W , W: suất lượng sản phẩm đáy tính theo kg/h, kmol/h.  x i , x i : nồng độ phần mol, phần khối lượng của cấu tử i. II. XÁC ĐỊNH SUẤT LƯNG DỊNG NHẬP LIỆU VÀ DỊNG SẢN PHẨM ĐÁY : M F =x F .M B + (1-x F ).M T = 0,4.78 + (1-0.4).92 = 86.4 kg/kmol M D =x D .M B + (1- x D ).M T = 0,98.78 + (1-0,98).92 = 78.28 kg/kmol M W =x W .M B + (1- x W ).M T = 0,01. 78 + (1-0,01).92 =91,86 kg/kmol 44,0 92 4,01 78 4,0 78 4,0 1 = − + = − + = T F B F B F F M x M x M x x 012,0 92 01,01 78 01,0 78 01,0 1 = − + = − + = T W B W B W W M x M x M x x Trang 8 ĐAMH Q trình & Thiết bị GVHD : Phan Đình Tuấn Dòng sản phẩm đỉnh có nhiệt độ 80 0 C nên ta có khối lượng riêng của dòng này: ρ Β = 815 kg/m3, ρ Τ = 805 kg/m 3 T D B D D xx ρρρ − += 1 1  3 /809 mkg D = ρ  hkgVD DD /8,161809.2,0. === ρ  hkmol M D D D /07,2 == Phương trình cân bằng vật chất:    += += WDF xWxDxF WDF  hkmolF hkgF hkmolW hkgW /87,4 /4.402 /8,2 /6,240 = = = = F = 402,4 kg/h D = 161,8 kg/h W = 240,6 kg/h F = 4,87 kmol/h D = 2,07 kmol/h W = 2,8 kmol/h 4.0= F x 98,0= D x 01,0= W x 44.0= F x 983,0= D x 012,0= W x III. XÁC ĐỊNH CHỈ SỐ HỒI LƯU THÍCH HP : * Chỉ số hồi lưu tối thiểu : Tỉ số hoàn lưu tối thiểu là chế độ làm việc mà tại đó ứng với số mâm lý thuyết là vô cực. Do đó, chi phí cố đònh là vô cực nhưng chi phí điều hành (nhiên liệu, nước và bơm…) là tối thiểu. Trang 9 ĐAMH Q trình & Thiết bị GVHD : Phan Đình Tuấn Hình 1: Đồ thò cân bằng pha của hệ Benzen – Toluen tại P = 1atm Dựa vào hình 1 ta có x F = 0,44⇒ y F * = 0,643 Tỉ số hoàn lưu tối thiểu : 44,0643,0 3.64,0983,0 * * min − − = − − = FF FD xy yx R = 1,68 Tỉ số hoàn lưu làm việc tính theo cơng thức kinh nghiệm: R = 1,5R min = 1,5.1,68 = 2,52 Theo Phương pháp thể tích tháp nhỏ nhất ta có: V = S.H Với S – diện tích tiết diện ngang của tháp; H – chiều cao tháp. Mặt khác diện tích tiết diện tháp tỉ lệ vơi lượng hơi, lượng hơi này lại tỉ lệ với lượng hồn lưu hay S tỉ lệ với R. Chiều cao tháp tỉ lệ với số đĩa lý thuyết N lt . Vậy thể tích tháp tỉ lệ với giá trị N lt .(R+1). Lần lượt cho các giá trị R và tìm thể tích tháp, ứng với giá trị nào nhỏ nhất của thể tích tháp thì R đó là tỉ số hồn lưu tối ưu. R 5 4.5 4 3.5 3 2.5 2 N lt 12 13 14 16 15 15 18 (R+1).Nlt 72 71.5 70 72 60 52.5 54 Biểu diễn trên đồ thị: Trang 10 . 50 VII. Bơm 52 Trang 2 AMH Quỏ trỡnh & Thit b GVHD : Phan ỡnh Tun Keỏt luaọn 54 Taứi lieọu tham khaỷo 54 Trang 3 ĐAMH Quá trình & Thiết bị GVHD : Phan Đình Tuấn Chương 1 : TỔNG QUAN I. LÝ THUYẾT. nghiệm, vì có thể thu được lượng lớn nó bằng phương pháp chưng cất than đá, dầu mỏ…. o Đóng vòng và dehiro hóa ankane o Các ankane có thể tham gia đóng vòng và dehidro hóa tạo thành hidro cacbon. như Pd, Pt CH 3 (CH 2 ) 4 CH 3  → 3232 / OAlOCr C 6 H 6 o Dehidro hóa các cycloankane Các cycloankane có thể bị dehidro hóa ở nhiệt độ cao với sự có mặt của các xúc tác kim loại chuyển