Thiết kế tháp chưng cất (tháp đĩa chóp tròn) hệ 2 cấu tử benzen - toluen

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

MỤC LỤC Trang Lời mở đầu 2

Chương I : Tổng quan 3

Chương II : Vẽ và thuyết minh dây chuyền sản xuất 7

Chương III : Tính toán kỹ thuật thiết bị chính 9

I Tính cân bằng vật liệu 9

II Tính đường kính tháp 12

III Tính chiều cao tháp 19

IV Tính trở lực tháp 20

Chương IV: Tính cân bằng nhiệt lượng 26

Kết luận 30

Tài liệu tham khảo 30

… 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 Thực phẩm 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 loại đĩa chóp tròn để chưng cất hỗn hợp Benzen – Toluen ở áp suất thưởng với năng suất theo sản phẩm đỉnh(Benzene) là 2 kg/s có nổng độ 95% phần khối lượng benzen, nồng độ sản phẩm đáy là 98% khối lượng Toluene,Nồng độ nhập liệu là 15% khối lượng Benzene, nhập liệu ở trạng thái lỏng sôi

- 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

 Cấp nhiệt gián tiếp

Vậy : Đối với hệ Benzen – Toluen, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục ở

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 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

- Hiệu suất khá cao

- 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

GIỚI THIỆU VỀ NGUYÊN LIỆU :

Benzen & Toluen :

Benzen: là một hợp chất mạch vòng, ở dạng lỏng không màu và có mùi thơm

nhẹ.Công thức phận tử là C6H6 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

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 –CH3 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

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….Đóng vòng và dehiro hóa ankane

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 Cr2O3, hay các lim loại chuyển tiếp như Pd, Pt

CH3(CH2)4CH3 Cr 2O 3 /Al2 O3 →

C6H6

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

C6H6 + CH3- Cl   →AlCl 3 C6H5-CH3

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)

1-Thùng chứa hỗn hợp đầu 5-Tháp chưng luyện

4-Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 8-Thùng chứa sản phẩm đỉnh

9-Thiết bị gia nhiệt đáy 10-Thùng chứa sản phẩm đáy

11-Thiết bị tháo nước ngưngHỗn hợp đầu từ thùng chứa 1 được bơm 2 bơm liên tục lên thùng cao vị 3 Mức chất lỏng cao nhất ở thùng cao vị được khống chế nhờ ống chảy tràn Từ thùng cao vị, hỗn hợp đầu qua thiết bị đun nóng 4 Tại đây, dung dịch được gia nhiệt bằng hơi nước bão hòa đến nhiệt độ sôi Sau đó,dung dịch được đưa vào tháp chưng luyện qua đĩa tiếp liệu

Tháp chưng luyện gồm 2 phần: phần từ đĩa tiếp liệu trở lên trên là đoạn luyện, còn từ đĩa tiếp liệu trở xuống là đoạn chưng

Như vậy, ở trong tháp,pha lỏng đi từ trên xuống tiếp xúc với pha hơi đi từ dưới lên Hơi bốc từ đĩa dưới lên qua các lỗ đĩa trên và tiếp xúc với pha lỏng của đĩa trên, ngưng tụ một phần, vì thế nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng tăng dần theo chiều cao của tháp Vì nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong lỏng tăng nên nồng độ của nó trong hơi do lỏng bốc lên cũng tăng Cấu tử dễ bay hơi có nhiệt độ sôi thấp hơn cấu

tử khó bay hơi nên khi nồng độ của nó tăng nên thì nhiệt độ sôi của dung dịch giảm

Tóm lại, theo chiều cao tháp nồng độ cấu tử dễ bay hơi (cả pha lỏng và pha hơi) tăng dần, nồng độ cấu tử khó bay hơi (cả pha lỏng và pha hơi) giảm dần và nhiệt

độ giảm dần Cuối cùng ở đỉnh tháp ta sẽ thu được hỗn hợp hơi có thành phần hầu hết

là cấu tử dễ bay hơi còn ở đáy tháp ta sẽ thu được hỗn hợp lỏng có thành phần cấu tử khó bay hơi chiếm tỉ lệ lớn Để duy trì pha lỏng trong các đĩa trong đoạn luyện, ta bổ sung bằng dòng hồi lưu được ngưng tụ từ hơi đỉnh tháp Hơi đỉnh tháp được ngưng tụ nhờ thiết bị ngưng tụ hoàn toàn 6, dung dịch lỏng thu được sau khi ngưng tụ một phần được dẫn tới hồi lưu trở lại đĩa luyện trên cùng để duy trì pha lỏng trong các đĩa đoạn luyện, phần còn lại được đưa qua thiết bị làm lạnh 7 để đi vào bể chứa sản phẩm đỉnh 8 Chất lỏng ở đáy tháp được tháo ra ở đáy tháp,sau đó một phần được đun sôi bằng thiết bị gia nhiệt đáy tháp 9 và hồi lưu và đáy tháp, phần chất lỏng còn lại được đưa vào bể chứa sản phẩm đáy 10 Nước ngưng của các thiết bị gia nhiệt đước tháo qua thiết bị tháo nước ngưng 11

Như vậy, thiết bị làm việc liên tục (hỗn hợp đầu đưa vào liên tục và sản phẩm cũng được lấy ra liên tục)

- Hỗn hợp đầu đi vào tháp ở nhiệt độ sôi.

- Chất lỏng ngưng tụ trong thiết bị ngưng tụ có thành phần bằng thành phần của hơi đi ra ở đỉnh tháp

- Cấp nhiệt ở đáy tháp băng hơi đốt gián tiếp

+ Yêu cầu thiết bị:

- Thiết bị làm việc ở áp suất thường P = 1 atm

- Loại tháp: Đĩa chóp tròn+ Các thông số ban đầu

- Hỗn hợp ban đầu:

+ Benzen: C6H6, ts = 81,1oC+ Toluen: C6H5CH3, ts = 110oC

- Năng suất thiết bị tính theo hỗn hợp đầu: 2 kg/s = 7200 kg/h

- Nồng độ hỗn hợp đầu: aF = 25 % khối lượng

F= P + W

Và phương trình cân bằng vật liệu cho cho cấu tử dễ bay hơi:

F.aF = P.aP + W.aW

Suy ra, lượng sản phẩm đáy là:

W= F

W P

F P a a

a a

−

−

= 2

02 , 0 96 , 0

25 , 0 96 , 0

−

−

= 1,5106 (kg/s) =5438,16(kg/h)Vậy lượng sản phẩm đỉnh là:

P= F – W = 2–1,5106= 0,4894 (kg/s)=1761,84(kg/h)Chuyển đổi nồng độ khối lượng sang nồng độ phần mol:

Ta có: MB = 78 : khối lượng phân tử của Benzen

MT = 92 : khối lượng phân tử của Toluen

xF =

T

F B

F B F

M

a M

a M a

− +1 =

92

25 , 0 1 78

25 ,

25 , 0

− + =0,2822 (kmol/kmol)

xp =

T

P B

P B P

M

a M

a M a

− +1 =

92

96 , 0 1 78

96 ,

96 , 0

W B W

M

a M

a M a

− +1 =

92

02 , 0 1 78

02 ,

02 , 0

− + =0,0235 (kmol/kmol)

Tính lượng hỗn hợp đầu F’, lượng sản phẩm đỉnh P’, lượng sản phẩm đáy W’ theo kmol/s:

a

T

F B

25 , 0

96 , 0

a P

T

P B

0164 , 0 5106 , 1 92

02 , 0 1 78

02 , 0

a W

T

W B

2.Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp.

a 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 định là vô cực nhưng chi phí điều hành( nhiên liệu, nước, bơm,…) là tối thiểu

Ta có bảng thành phần cân bằng lỏng(x) – hơi(y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Benzen – Toluen ở 1 atm như sau:

Từ đồ thị hình 1: đồ thị y-x biểu diễn đường cân bằng

xF = 0,2822, dùng phương pháp nội suy, ta có y*

F = 0,488Vậy, chỉ số hoàn lưu tối thiểu:

317 , 2 2822 , 0 488 , 0

488 , 0 965 , 0

F P x y

y x R

β (với β ∈ [1,2; 2,5] là hệ số hồi lưu)

Với mỗi giá trị của β cho ta mỗi giá trị của R và từ đó xác định được số đĩa lý

thuyết tương ứng

+ Với β = 1 , 2 ⇒ R= 2 , 781

Vậy phương trình làm việc của đoạn luyện là :

26 , 0 74 ,

β 1,2 1,5 1,8 2,0 2,5

Từ bảng số liệu, ta xây dựng đồ thị (H7) biểu diễn mối quan hệ R – N(R+1)

Dựa vào đồ thị (H7), ta xác định được R th = 4,634

c Phương trình đường nồng độ làm việc

- Đường nồng độ làm việc đoạn chưng

Lượng hỗn hợp đầu tính theo 1 kmol sản phẩm đỉnh:

207 , 3 10 23612 , 6

02 , 0

3 '

R

f x

R

f R y

1

1

− + +

+

0235 , 0 1 634 , 4

207 , 3 1 1

634 , 4

207 , 3 634 , 4

+

− + +

+

=

013 , 0 39 ,

R

1 634 , 4

965 , 0 1

634 , 4

634 , 4

+

+ +

=

17 , 0 82 ,

) ( 0188 , 0

ω ρ

=

Để tính đường kính tháp, ta phải tính các giá trị sau:

1 Tính lưu lượng trung bình các dòng pha đi trong tháp

2 Tính khối lượng riêng trung bình của các dòng pha đi trong tháp

4 Tính đường kính của tháp.

1 Tính đường kính đoạn luyện.

Có thể tính gần đúng bằng trung bình cộng của lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (gđ) và lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện (g1)

2

1

g g

g đ tb

p p p

r g r g

x G x G y g

G G g

1 1

1 1 1 1

1 1

Với: r1- ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất

rđ- ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp di ra khỏi đỉnh tháp

g1- lượng hơi đi vào đĩa cuối cùng của đoạn luyện

=

− +

=

b đ đ

a đ

b a

r y y

r r

r y y

r r

1

.

1 1

[II-182]

Với ra, r b là ẩn nhiệt hóa hơi của các cấu tử nguyên chất Benzen, toluen

- Nhiệt độ sôi của hỗn hợp đỉnh (xp=0,965) tp=80,935oC (Nội suy II-146)

Nội suy theo bảng r-to [I-254] với to=80,935oC, ta có:

ra=93,8 kcal/kg = 392,72.103 (J/kg)

r b=90,29 kcal/kg = 378,03.103 (J/kg) <Đổi đơn vị: 1kcal/kg = 4,1868.103J/kg>

b đ đ

- Nhiệt độ sôi của hỗn hợp đầu (xF =0,2822) tF =99,2408oC ( Nội suy II-146)

Nội suy theo bảng r-to [I-254] với to=99,2408, ta có:

ra=90,633kcal/kg = 379,46.103 (J/kg)

r b=88,092kcal/kg = 368,82.103 (J/kg) <Đổi đơn vị: 1kcal/kg = 4,1868.103J/kg>

b

a y y r r

49 , 78 ) 965 , 0 1 (

92 965 , 0

49 , 78

206 , 9926

84 ,

, 78

366 , 8164

397 , 0

956 , 132

1 1 1

G y g

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện là:

71 , 129 2

956 , 132 464 , 126 2

397 , 0 965 , 0 2

+

= y y

y đ tb

Phân tử lượng trung bình của hơi trong đoạn luyện là:

466 , 82 ) 681 , 0 1 (

92 681 , 0

3

10 6966 , 10 466 , 82 71 ,

=

* Đối với pha hơi

Khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp được xác định theo công thức:

T

M y M

y tb tb ytb

4 , 22

273 ].

).

1 (

Ytb1- Nồng độ phần mol của cấu tử Benzen

2

1 1

tb

y y

=

Yđ1, yc1- nồng độ đầu và cuối đoạn luyện

Ytb1.M1+(1-ytb1).M2 Phân tử lượng trung bình của đoạn luyện: 83,152

Nhiệt độ trung bình của hỗn hợp trong đoạn luyện là:

0879 , 90 2

2408 , 99 935 , 80

4 , 22

273 466 ,

1 1

1 1 1

xtb

tb xtb

tb xtb

a a

ρ ρ

ρ

− +

Trong đó:

xtb

ρ - khối lượng riêng trung bình của pha lỏng lấy theo nhiệt độ

trung bình ở đoạn luyện với t=90,0879 oC

atb1- phần khối lượng trung bình của Benzen trong pha lỏng

Ta có:

90 , 803

1 =

xtb

91 , 797

ρ , ρxtb2- khối lượng riêng trung bình của Benzen, Toluen tinh khiết

của pha lỏng theo nhiệt độ trung bình

Nồng độ trung bình của đoạn luyện:

% 5 , 60 2

% 96

% 25

tb a

Thay vào công thức tính khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp, ta có:

91 , 797

605 , 0 1 90 , 803

605 , 0

xtb

ρ

52 , 801

=

⇒ ρxtb (kg/m3)Vận tốc khí đi trong tháp được xác định theo công thức:

ytb xtb tb

ρ , ρytb- khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha khí

theo nhiệt đô trung bình (kg/m3)

h- khoảng cách giữa các đĩa (m)Giá trị h chọn theo đường kính tháp

] [ σ

ϕ - hệ số tính đến sức căng bề mặt:

Khi σ < 20 đyn/cm thì ϕ [ σ ] = 0 , 8

Khi σ > 20 đyn/cm thì ϕ [ σ ] = 1

2 1

1 1 1

σ σ

1

σ , σ 2- sức căng bề mặt của Benzen và Toluen

Ở đoạn luyện với t=90,0879 oC nội suy theo [I-300] ta có:

04 , 20

1 1

Thay vào công thức tính D ta có:

5183 , 1 64

, 1

10 6966 , 10 0188 , 0

, 2 5 , 1

10 6966 , 10 0188 , 0

2

3 2

=

=

ytb

2 Tính đường kính đoạn chưng

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng được tính gần đúng theo công thức:

2

1 ' '

1 ' 1 ' 1 ' 1 ' 1 '

r g r g r g

x G y g x G

G g G

n n

w w w

⇒r’

1=371,076.103.0,02+(1-0,02).362,568.103 = 362,73.103 (J/kg)Phân tử lượng trung bình của hỗn hợp ở đáy :

78.0,0235+92.(1-0,0235) = 91,671

32 , 59 671 , 91

16 ,

=

Ta có: r r'n r a y'n ( 1 y'n).r b

1 = = + − là ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào

956 , 132 10

73 , 362

0235 , 0 32 , 59 02 , 0

32 , 59

3 3

3 1

'

1 ' 1 ' 1 ' 1 ' 1 '

g

g x G

g G

0210 , 0

056 , 196

1 ' 1 ' 1 '

g x G

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng:

846 , 134 2

736 , 136 956 , 132 2

1

' 1

Nồng độ trung bình của đoạn chưng là:

2085 , 0 2

02 , 0 397 , 0 2

1 ' 1

2 = y +y = + =

Phân tử lượng trung bình của hơi trong đoạn chưng là:

081 , 89 ) 2085 , 0 1 (

92 2085 , 0

3 ' = 134 , 846 89 , 081 = 12 , 012 10

- Khối lượng riêng trung bình

* Đối với pha hơi

Khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp được xác định theo công thức:

T

M y M

y tb tb tb

4 , 22

273 ].

).

1 (

tb

y y

y = +

Yđ2, yc2- nồng độ đầu và cuối đoạn chưng

Ytb2.M1+(1-ytb2).M2 Phân tử lượng trung bình của đoạn chưng: 89,928

Nhiệt độ trung bình của hỗn hợp trong đoạn chưng là:

375 , 104 2

2408 , 99 51 ,

4 , 22

273 081 , 89

* Đối với pha lỏng

Khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp được xác định theo công thức:

2 1

2 1 1

xtb

tb xtb

tb xtb

a a

ρ ρ

ρ

− +

Trong đó:

xtb

ρ - khối lượng riêng trung bình của pha lỏng lấy theo nhiệt độ

trung bình ở đoạn chưng với t=104,375 oC

atb2- phần khối lượng trung bình của Benzen trong pha lỏng

Ta có:

75 , 787

1 =

xtb

187 , 783

ρ , ρxtb2- khối lượng riêng trung bình của Benzen, Toluen tinh khiết

của pha lỏng theo nhiệt độ trung bình

Nồng độ trung bình của đoạn chưng:

% 5 , 13 2

% 2

% 25

tb a

Thay vào công thức tính khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp, ta có:

187 , 783

135 , 0 1 75 , 787

135 , 0

xtb

ρ

799 , 783

=

⇒ ρxtb (kg/m3)Vận tốc khí đi trong tháp được xác định theo công thức:

ytb xtb tb

ρ , ρytb- khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha khí

theo nhiệt đô trung bình (kg/m3)

h- khoảng cách giữa các đĩa (m)Giá trị h chọn theo đường kính tháp

] [ σ

ϕ - hệ số tính đến sức căng bề mặt:

Khi σ < 20 đyn/cm thì ϕ [ σ ] = 0 , 8

Khi σ > 20 đyn/cm thì ϕ [ σ ] = 1

2 1

1 1 1

σ σ

1

σ , σ 2- sức căng bề mặt của Benzen và Toluen

Ở đoạn chưng với t=104,375 oC nội suy theo [I-300] ta có:

275 , 18

1 1