Thiết kế tháp mâm xuyên lỗ

Đốivới 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

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TPHCM

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

ĐỐ ÁN MÔN HỌC TÊN ĐỀ TÀI Tính toán và thiết kế hệ thống thiết bị chưng cất làm việc liên tục (mâm xuyên lỗ), dùng để chưng cất hỗn hợp lỏng Benzen-Toluen

Giảng viên hướng dẫn: ThS TRƯƠNG VĂN MINH

Sinh viên thực hiện: LÊ MINH VƯƠNG

MSSV: 11031311

Lớp: DHHD7

Năm học: 2013 -2014

Tp Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2014

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

ĐỒ ÁN MÔN HỌC TÊN ĐỀ TÀI Tính toán và thiết kế hệ thống thiết bị chưng cất làm việc liên tục (mâm xuyên lỗ), dùng để chưng cất hỗn hợp lỏng Benzen-Toluen

Giảng viên hướng dẫn: ThS TRƯƠNG VĂN MINH

Sinh viên thực hiện: LÊ MINH VƯƠNG

MSSV: 11031311

Lớp: DHHD7

Năm học: 2013 -2014

Tp Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2014

ĐỂ NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Phần đánh giá:

Điểm bằng số: Điểm bằng chữ:

TP Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2014

Giáo viên hướng dẫn

(Ký ghi họ và tên)

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

TP Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2014

Giáo viên phản biện

(Ký ghi họ và tên)

MỤC LỤ

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI – QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT 2

1.1 Lý thuyết về chưng cất 2

1.1.1 Khái niệm cơ bản 2

1.1.2 Phương pháp chưng cất 3

1.1.3 Thiết bị chưng cất 4

1.2 Giới thiệu sơ bộ về nguyên liệu 5

1.2.1 Benzen- Toluen 5

1.2.2 Các phương pháp điều chế 7

CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 9

2.1 Thuyết minh sơ đồ quy trình công nghệ 9

2.2 Sơ đồ quy trình công nghệ 10

CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT – CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG 12

3.1 Cân bằng vật chất 12

3.1.1 Các thông số ban đầu 12

3.1.2 Xác định suất lượng nhập liệu và suất lượng sản phẩm đáy thu được: 13

3.1.3 Xác định tỉ số hoàn lưu làm việc 14

3.1.4 Xác định phương trình đường làm việc- Số mâm lý thuyết 15

3.1.5 Xác định số mâm thực tế 17

3.2 Cân bằng năng lượng 19

3.2.1 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 19

3.2.2 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt nhập liệu 19

3.3.3 Cân bằng nhiệt cho toàn tháp 20

3.3.4 Tổng lượng hơi đốt sử dụng 22

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH 23

4.1 Đường kính tháp 23

4.1.1 Đường kính đoạn cất 23

4.1.2 Đường kính đoạn chưng 26

4.2 Tính chiều cao của tháp theo số bậc thay đổi nồng độ 29

4.3 Tính thủy lực của mâm 29

4.3.1 Cấu tạo mâm lỗ 29

4.3.2 Kích thướt ống chảy chuyền 30

4.3.3 Trở lực thủy lực của mâm trong phần cất 31

4.3.4 Trở lực thủy lực của mâm trong phần chưng 34

4.3.5 Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động 35

4.3.6 Kiểm tra tính đồng nhất hoạt động của mâm 36

4.4 Tính toán cơ khí 36

4.4.1 Bề dày thân tháp 36

4.4.2 Bề dày đáy và nắp thiết bị chịu áp suất ngoài 38

4.4.3 Bích ghép thân đáy và nắp 39

4.4.5 Đường kính các ống dẫn – Bích ghép các ống dẫn 41

4.4.6 Chân đỡ - Tai treo 46

CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN VÀ CHỌN THIẾT BỊ PHỤ 50

5.1 Thiết bị gia nhiệt nhập liệu 50

5.1.1 Xác định hệ số truyền nhiệt : 50

5.1.2 Xác định bề mặt truyền nhiệt: 54

5.2 Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy 55

5.2.1 Xác định hệ số truyền nhiệt : 56

5.2.2 Xác định bề mặt truyền nhiệt: 58

5.3 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 59

5.3.1 Xác định hệ số truyền nhiệt : 60

5.3.2 Xác định bề mặt truyền nhiệt và cấu tạo thiết bị : 64

5.4 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 65

5.4.1 Xác định hệ số truyền nhiệt 66

5.4.2 Xác định bề mặt truyển nhiệt 70

5.5 Bồn cao vị 71

5.5.1.Tổn thất đường ống dẫn: 71

5.5.2 Tổn thất đường ống dẫn trong thiết bị đun sôi dòng nhập liệu; 73

5.5.3 Chiều cao bồn cao vị: 74

5.6 Bơm 75

5.6.1.Năng suất: 75

5.6.2 Cột áp: 76

5.6.3 Tính tổng trở lực trong ống: 76

5.6.4 Công suất: 78

KẾT LUẬN 80

TÀI LIỆU THAM KHẢO 81

DANH MỤC BẢNG BIỂU

BẢNG 1.1: TÍNH CHẤT VẬT LÝ BENZEN 6 BẢNG 1.2: TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA TOLUEN 7 BẢNG 3.2: ĐƯỜNG CÂN BẰNG CỦA BENZEN – TOLUEN 17

DANH MỤC HÌNH ẢNH

HÌNH 1.2: SƠ ĐỒ CHƯNG: 3 HÌNH 3.1: ĐỒ THỊ CÂN BẰNG LỎNG – HƠI HỆ BENZEN – TOLUEN 14 HÌNH 3.2: XÁC ĐỊNH SỐ MÂM LÝ THUYẾT 16

LỜI MỞ ĐẦU

Ngành công nghệ hóa học là một trong những ngành có vai trò đóng góp to lớnvào sự phát triển của khoa học kỹ thuật Từ đó, góp phần vào sự phát triển kinh tế - xãhội, nâng cao đời sống của con người, giải quyết các vấn đề năng lượng và môi trường.Song song với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, các ngành công nghiệp cần sửdụng rất nhiều hoá chất có độ tinh khiết cao Nhu cầu này đặt ra cho các nhà sản xuấthoá chất phải sử dụng nhiều phương pháp để nâng cao độ tinh khiết của sản phẩm Tuỳtheo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có sự lựa chọn phương pháp cho phù hợp.Một trong những phương pháp được sử dụng phổ biến hiện nay đó là chưng cất Đốivới 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 trongquá trình học tập của các kỹ sư Công nghệ Hoá học tương lai Môn học này giúp sinhviên có thể tính toán cụ thể : quy trình công nghệ, kết cấu, giá thành của một thiết bịtrong sản xuất hoá chất - thực phẩm Đây là lần đầu tiên sinh viên được vận dụng cáckiến thức đã học để giải quyết các vấn đề kỹ thuật thực tế một cách tổng hợp

Nhiệm vụ của đồ án là tính toán và thiết kế hệ thống thiết bị chưng cất làm việcliên tục (mâm xuyên lỗ), dùng để chưng cất hỗn hợp lỏng Benzen-Toluen với năng suấttheo sản phẩm đỉnh (Benzene) là 1600 kg/h có nồng độ 9% phần khối lượng Toluen,nồng độ sản phẩm đáy là 89% khối lượng Toluene, nồng độ nhập liệu là 68% molToluen, nhập liệu ở trạng thái lỏng sôi

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI – QUÁ TRÌNH CHƯNG

CẤT

1.1 Lý thuyết về chưng cất

1.1.1 Khái niệm cơ bản

Chưng là phương pháp tách hỗn hợp chất lỏng (cũng như các hỗn hợp khí đã hóalỏng) thành những cấu tử riêng biệt, dựa trên độ bay hơi khác nhau của các cấu tử tronghỗn hợp

Chưng khác với cô đặc: trong quá trình chưng, các cấu tử đều bay hơi, còn trong

cô đặc chỉ có dung môi bay hơi mà chất tan không bay hơi

Quá trình chưng bắt đầu với việc sản xuất rượu từ thế kỷ XI Ngày nay được ứngdụng rộng rãi để tách các hỗn hợp:

Dầu mỏ, tài nguyên được khai thác ở dạng lỏng, 3 tỷ tấn/năm

Không khí hóa lỏng được chưng cất ở nhiệt độ - 190oC để sản xuất oxy và nitơ.Quá trình tổng hợp hữu cơ thường cho sản phẩm ở dạng hỗn hợp lỏng Ví dụ nhưsản xuất metanol, etylen, propylen, butadien

Công nghệ sinh học thường cho sản phẩm là hỗn hợp lỏng như etylic – nước từquá trình lên men

Hình 1 2: Sơ đồ chưng:

1- Bình; 2- sinh hàn; 3- bếp đun

Khi chưng ta thu được nhiều sản phẩm.Thường hỗn hợp chứa bao nhiêu cấu tử thí

có bấy nhiêu sản phẩm.Trường hợp có hai cấu tử, theo sơ đồ chưng (hình 1.2) sẽ được:Sản phẩm đỉnh gồm cấu tử dễ bay hơi và một phần cấu tử khó bay hơi (P)

Sản phẩm đáy gồm chủ yếu cấu tử khó bay hơi và một phần cấu tử dễ bay hơi(W)

Đối với hệ Benzen – Toluen:

Sản phẩm đỉnh chủ yếu là benzen và một ít toluen

Sản phẩm đáy chủ yếu là toluen và một ít benzen

Để có thể thu được sản phẩm đỉnh tinh khiết sẽ tiến hành chưng nhiều lần (còngọi là chưng luyện) Khi tiến hành chưng hoặc chưng luyện cần phân biệt theo:

1 Áp suất làm việc: chân không; áp suất thường hoặc áp suất cao

2 Số lượng cấu tử tronh hỗn hợp: hệ hai cấu tử; hệ có ba hoặc số cấu tử ít hơnmười và hệ nhiều cấu tử (lớn hơn mười)

3 Phương thức làm việc: liên tục; gián đoạn

Chưng đơn giản: dùng để tách các hỗn hợp gồm có các cấu tử có độ bay hơi rấtkhác nhau Phương pháp này thường dùng để tách sơ bộ và làm sạch các cấu tử khỏitạp chất.

Chưng bằng hơi hước trực tiếp: dùng để tách các hỗn hợp gồm các chất khó bayhơi và tạp chất không bay hơi, thường dùng ứng dụng trong trường hợp chất được táchkhông tan vào nước

Chưng chân không: dùng trong các trường hợp cần hạ thấp nhiệt độ sôi của cấu

tử, cho các hỗn hợp dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao và các hỗn hợp có nhiệt độ sôi quácao Ví dụ như trường hợp các cấu tử trong hỗn hợp dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao haytrường hợp các cấu tử có nhiệt độ sôi quá cao

Chưng cất: chưng cất là phương pháp phổ biến nhất dùng để tách hoàn toàn hỗnhợp các cấu tử dễ bay hơi có tính chất hòa tan một phần hoặc hòa tan hoàn toàn vàonhau

Chưng cất ở áp suất cao dùng cho các hỗn hợp không hóa lỏng ở áp suất thường.Chưng cất ở áp suất thấp hoặc áp suất thường Nguyên tắc làm việc: dựa vào nhiệt độsôi 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

1.1.3 Thiết bị chưng cất

Trong sản suất, người ta thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để tiến hànhchưng cất Tuy nhiên, yêu cầu cơ bản chung của các thiết bị vẫn giống nhau nghĩa làdiện tích tiếp xúc pha lớn Điều này phụ thuộc vào mức độ phân tán của một lưu chấtnày vào lưu chất kia Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta có các loại tháp mâm, nếupha lỏng phân tán vào pha khí ta có tháp chêm, tháp phun,… Ở đây ta khảo sát 2 loạithường dùng là tháp mâm và tháp chêm

Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có cấu tạokhác nhau, trên đó pha lỏng và pha hơi được cho tiếp xúc với nhau Tùy theo cấu tạocủa đĩa, ta có:

Tháp mâm chóp: trên mâm bố trí tháp dạng tròn, xupap,…

Ưu điểm: khá ổn định, hiệu suất cao

Nhược điểm: có trở lực lớn, tiêu tốn nhiều vật liệu, kết cấu phức tạp

Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh

Ưu điểm: trở lực tương đối thấp, hiệu suất cao

Nhược điểm: không làm việc được với chất lỏng bẩn, kết cấu khá phức tạp

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: xếp ngẫunhiên hay xếp thứ tự

Ưu điểm: cấu tạo khá đơn giản, trở lực thấp, làm việc được với chất lỏng bẩn.Nhược điểm: do có hiệu ứng thành nên hiệu suất truyền khối thấp, độ ổn địnhkhông cao, khó vận hành Do có hiệu ứng thành nên khi tăng năng suất thì hiệu ứngthành tăng  khó tăng năng suất Thiết bị khá nặng nề

1.2 Giới thiệu sơ bộ về nguyên liệu

1.2.1 Benzen- Toluen

Benzen (tên khác: PhH, hoặc benzol) là một hợp chất hữu cơ có công thức hoá

học C6H6 Benzen là một hyđrocacbon thơm, trong điều kiện bình thường là một chấtlỏng không màu, mùi dịu ngọt dễ chịu, dễ cháy Benzen không phân cực tan tốt trongcác dung môi hữu cơ không phân cực, tan rất kém trong nước và rượu Trước đây,người ta thường dùng benzen làm dung môi Tuy nhiên sau đó người ta phát hiện rarằng nồng độ benzen trong không khí chỉ cần thấp hơn khoảng 1 ppm cũng có thể gây

ra bệnh bạch cầu, nên benzen đã được sử dụng hạn chế Benzen cũng có khả năng cháytạo ra khí CO2 và nước, đặc biệt có sinh ra muội than.

Bảng 1 1: Tính chất vật lý benzen

Thuộc tính

Toluen: hay còn gọi là mêtylbenzen hay phenylmêtan, là một chất lỏng trong

suốt, không hòa tan trong nước Toluen là một hyđrocacbon thơm được sử dụnglàm dung môi rộng rãi trong công nghiệp Công thức phân tử tương tự như benzen cógắn thêm nhóm –CH3 Không phân cực, do đó toluen tan tốt trong benzen Nếu tiếp xúcvới toluene trong thời gian đủ dài, có thể bị bệnh ung thư

Bảng 1 2: Tính chất vật lý của Toluen

Thuộc tính

Trong etanol, aceton, hexan,

Từ benzen ta có thể điều chế dẫn xuất của benzen như toluen bằng phản ứngankyl hóa benzen bằng các dẫn xuất ankyl halide với sự có mặt của xúc tác AlCl3 khan:

C6H6 + CH3-Cl C6H5-CH3

AlCl 3

CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

2.1 Thuyết minh sơ đồ quy trình công nghệ

Đầu tiên cho một phần dung dịch nhập liệu vào nồi đun và tiến hành gia nhiệt.Nhiệt độ của dung dịch trong nồi đun tăng dần và đạt đến trạng thái lỏng sôi, khi đódung dịch sẽ bốc hơi và tạo thành dòng hơi đi trong tháp

Hỗn hợp Benzen- Toluen có nồng độ benzen là 32% mol, nhiệt độ nhập liệu lúcđầu khoảng là 30oC tại thùng chứa nguyện 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 lốngống (4) Sau đó hỗn hợp được đưa vào tháp chưng Cất ở đĩa nhập liệu và bắt đầu chưngcất 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 chảyxuống Trong tháp, hơi đi từ dưới lên qua các lỗ của đĩa gặp lỏng đi từ trên xuống Ởđây có sự tiếp xúc và trao đổi giữa hai pha với nhau Pha lỏng chuyển động trong phầnchưng càng xuống phía dưới càng giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơitạo nên từ nồi đun (7) lôi cuốn cấu tử dễ bay hơi Nhiêt độ càng lên trên càng thấp, nênkhi hơi đi qua các đĩa từ dưới lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao là toluen sẽ ngưng tựulại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử benzen chiếm nhiều nhất( nồng độ 92.3% mol) Hơi này đi vào thiết bị ngưng tựu (8) được ngưng tựu hoàntoàn Một phần chất lỏng ngưng tựu đi qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (9), đượclàm nguội bằng thiết bị trao đổi nhiệt ống lống ống rồi được đưa qua bình chứa sảnphẩm đỉnh (12) Phần còn lại của chất lỏng ngưng tựu được hoàn lưu về tháp ở đĩa trêncùng với tỉ số hoàn lưu thích hợp và được kiểm soát bằng lưu lượng kế

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 Benzen là 12.7% mol, còn lại là Toluen

Dung dịch lỏng ở đáy đi ra khỏi tháp vào nồi đun (7) Trong nồi đun dung dịch lỏngmột phần sẽ bốc hơi cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại ra khỏi nồiđun được cho vào bình chứa sản phẩm đáy (11).

Hệ thống làm việc liên tục cho sản phẩm đỉnh là Benzen, sản phẩm đáy là Toluen

2.2 Sơ đồ quy trình công nghệ

Chú thích:

4- Thiết bị gia nhiệt nhập liệu 5- Đoạn chưng 6- Đoạn cất

10- Thiết bị tháo nước ngưng

11- Bình chứa sản phẩm đáy 12- Bình chứa sản phẩm đỉnh

SƠ ĐỒ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

1

2 5

Nước vào

Nước ra

9

2

CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT – CÂN BẰNG NĂNG

LƯỢNG

3.1 Cân bằng vật chất

3.1.1 Các thông số ban đầu

Hỗn hợp Benzen-Toluen có cấu tử nhẹ (dễ bay hơi) là Benzen Các tính toán bêndưới sẽ được tính theo cấu thử nhẹ

Hỗn hợp Benzen- Toluen:{ Benzen :C6H6→ M B=78 g

mol Toluen:C6H5CH3→ M T=92 g

mol

 Năng suất sản phẩm đỉnh: D=´ ¿ 1600 kg/h

 Hỗn hợp nhập liệu và hoàn lưu đưa vào tháp ở trạng thái lỏng sôi

 Thành phần phần mol của Toluen trong dòng nhập liệu vào tháp là 68%

 Thành phần phần khối lượng của Toluen trong dòng sản phẩm trên đỉnh tháp

 F : suất lượng nhập liệu ban đầu ( kmol/h )

 D : suất lượng sản phẩm đỉnh ( kmol/h )

 W : suất lượng sản phẩm đáy ( kmol/h )

 x F :nồng độ mol Benzen trong nhập liệu

 x D :nồng độ mol Benzen trong sản phẩm đỉnh

 x W : nồng độ mol Benzen trong sản phẩm đáy

3.1.2 Xác định suất lượng nhập liệu và suất lượng sản phẩm đáy thu được:

Đầu tiên ta tính xF, xD, xW (tính theo cấu tử nhẹ):

 D ¿ D´

M tb D=

160079.08=20.23(kmol h )

Từ phương trình cân bằng vật chất cho toàn bộ tháp chưng cất :

F−W =D

F × x F−W × x W=D × x D

⇒{F × x F−F−W= D W × x W=D × x D

⇒{F × x F−F−W= D W × x W=D × x D

⇒{0.32 × F−0.11×W =18.67 F−W =20.23

⇒{W=63.19 kmol/h F=83.42 kmol/h

3.1.3 Xác định tỉ số hoàn lưu làm việc

Thành phần cân bằng lỏng (x), hơi (y) tính bằng %mol và nhiệt độ sôi của hỗn

hợp hai cấu tử ở 760 mmHg (Benzen - Toluen ):

Bảng 3 1: Số liệu cân bằng lỏng - hơi của hệ Benzen – Toluen

x,

Điểm đẳng phi y,

 Ta có x F = 0.32, từ đồ thị hoặc bằng phương pháp nội suy ta tìm y F

0.32−0.3

y F¿

−0.5110.619−0,511→ y F¿=0.533

Tỉ số hoàn lưu tối thiểu Rmin cho tháp chưng cất liên tục khi đường cân bằngkhông có khoảng lõm, nhập liệu ở trạng thái lỏng sôi được xác định theo công thức:

3.1.4 Xác định phương trình đường làm việc- Số mâm lý thuyết

 Phương trình đường nồng độ làm việc cho đoạn cất:

R+1 x +

x D R+1

Với R= 2.68, x D = 0.923→ y=0.7283 x+ 0.2508 luôn đi qua điểm D(0.923;0.923),F(xF;yF)

 Phương trình đường nồng độ làm việc cho đoạn chưng:

D, lượng hỗn hợp nhập liệu so với sản phẩm đỉnh,

với {F=83.42kmol /h D=20.23 kmol /h và x W = 0.127

83.4220.23=4.124

→ y=1.849 x−0.1078 luôn đi qua điểm W(0.127;0.127) và F(xF;yF)

 Xác định tọa độ điểm F: thế x F = 0.32 vào y=1.849 x−0.1078

Vậy F(0.32;0.4839)

Xác định số mâm lý thuyết bằng đồ thị được tiến hành như sau:

 Vẽ đường cân bằng x-y trên đồ thị phần mol

 Vẽ phương trình đường làm việc đoạn cất đi qua điểm D(0.923;0.923),F(0.32;0.4839)

 Vẽ phương trình đường làm việc chưng đi qua điểm W(0.127;0.127) vàF(0.32;0.4839)

 Vẽ số bậc thang bắt đầu từ điểm D(0.923;0.923) và kết thúc ở điểmW(0.127;0.127) Số bậc thang trên đồ thị ứng với số mâm lý thuyết cần tìm.

Theo định luật Dalton, ta có P=P B+P T=P B0 x+P T0(1−x ), từ đó:x= P−P B

 N tt=N¿

E

Hiệu suất E là một hàm số của độ bay hơi tương đối α của các hỗn hợp thực và

độ nhớt của chất lỏng μ: E = f (α , μ)

 Xác nhiệt độ trung bình trong tháp

Nồng độ trung bình của pha lỏng là:

 Để xác định hiệu suất tổng quát E, tìm độ bay hơi tương đối của hai cấu tử

α=P o B/P T o và độ nhớt của nhập liệu ở nhiệt độ trung bình tháp là 94.3oC

 Ở nhiệt độ này, áp suất hơi bão hòa của benzen là P B o

=¿ 1.513 atm và củatoluen P T o=¿0.614 (nội suy từ bảng 3.2) do đó α=1.513 /0.614=2.46

 Độ nhớt của benzen và toluen ở 94.3oC là 0.28cp và 0.3cp Lấy độ nhớt nhậpliệu μ=0.29 cp

 Kết quả α μ=2.42× 0.29=0.7134 → E=0.51 (tra đồ thị tài liệu tham khảo[1])

Vậy số mâm thực tế là: Ntt¿ 10

0.51 ≈ 20 mâm

Trong đó phần cất của tháp 12 mâm, phần chưng của tháp 8 mâm

3.2 Cân bằng năng lượng

3.2.1 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh

 Xác định lượng nhiệt trao đổi ở thiết bị ngưng tụ hoàn lưu theo công thức:

Q nt= ´D( R+1 )r D

Với D´ : Suất lượng sản phẩm đỉnh (kg/s)

r D: nhiệt lượng riêng của hơi trong thiết bị ngưng tụ hoàn lưu (J/kg)

3.2.2 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt nhập liệu

 Lượng nhiệt tiêu thụ để gia nhiệt nhập liệu đến nhiệt độ sôi được xác định theo công thức:

Q nl= ´F × C F(t SF−t v)+Q m

Với Q nl: nhiệt lượng cần cung cấp (W)

C F: nhiệt lượng riêng của hỗn hợp nhập liệu (J/Kg.độ)

t SF , t v: nhiệt độ nhập liệu ra và vào khỏi thiết bị (oC)

 Ta có xF=0.32 → tSF=97.92 oC Lấy tv=28oC nhiệt độ môi trường

 Nhiệt dung riêng của nhập liệu:

Với Qm nhiệt tổn thất lấy bằng 5% nhiệt hữu ích

3.3.3 Cân bằng nhiệt cho toàn tháp

QF + QK + QL0 = QD + QW +Qm + Qng

Suy ra QK = QD + QW +Qm + Qng - QF - QL0

 QK: nhiệt lượng cung cấp cho nồi đun (W)

 Qm: nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh (W) Qm lấy bằng 5%lượng nhiệt hữu ích

 QF: nhiệt lượng do dòng nhập liệu mang vào (W):

QF=F × C´ F ×t F Với ´F=7300.918 kg /h và tF=97.92oC

CF= CBx´F+ CT(1- ´xF)=0.285×2.111×103+2.061×103×(1-0.285 )=2.075× 103J

kg .độ

Với CB và CT là nhiệt dung riêng của benzen và toluen được lấy ở nhiệt độ

Với r1= 2156.103 J/kg là nhiệt ngưng tụ của hơi đốt.

 Thiết bị gia nhiệt nhập liệu:

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH

4.1 Đường kính tháp

tb y y tb

g

)ω.(0188,0ω.3600

π

4VD

tb

tb t







(m)

Vtb :lượng hơi trung bình đi trong tháp (m3/h)

tb :tốc độ hơi trung bình đi trong tháp (m/s)

gtb : lượng hơi trung bình đi trong tháp (kg/h)

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng và đoạn cất khác nhau Do đó, đườngkính đoạn chưng và đoạn cất cũng khác nhau

gd : lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (kg/h)

g1 : lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn cất (kg/h)

D

r g r

g

x D x

G y

g

D G

g

.

.

.

1 1

1 1 1

1

1 1

(III.1)

Với : G1 : lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn cất

r1 : ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn cất

rd : ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi ra ở đỉnh tháp

Tính r 1 :

Với t1 = tF =97.92oC , (Tra tài liệu tham khảo ) ta có :

Ần nhiệt hoá hơi của benzen : rB1 = 380.724 (kJ/kg)

Ẩn nhiệt hoá hơi của toluen : rT1 = 369.745 (kJ/kg)

Suy ra: r1 = rB1.y1 + (1-y1).rT1 =10.979.y1+369.745(kJ/kg)

Tính r d :

Với tD = 82oC (Tra tài liệu tham khảo ) ta có :

Ẩn nhiệt hoá hơi của benzen: rBd = 392.385 (kJ/kg)

Ẩn nhiệt hoá hơi của toluen : rTd =377.745 (kJ/kg)

Suy ra: rd = rBd.yD + (1-yD).rTd = 392.385× 0.966+(1-0.966)×377.745

= 391.887 (kJ/kg)

x1 = ´xF = 0.285

Giải hệ (III.1), ta được : G1 =4558.79 (kg/h)

y1 = 0.447 (phần khối lượng benzen)

g1 = 6158.79(kg/h)

Vậy : gtb =5888+6157.792 =6022.895 (kg/h)

 Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp :

Tốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp với mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền :

ytb

xtb gh





 0,05

ρxtb : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (kg/m3)

ρytb : khối lượng riêng trung bình của pha hơi (kg/m3)

 Với ´xtb=0.582→ttb =89.9 oC (Tra tài liệu tham khảo) ta có :

 Khối lượng riêng của benzen : ρB =804.11 (kg/m3)

 Khối lượng riêng của toluen : ρT = 798.1(kg/m3)

4.1.2 Đường kính đoạn chưng

 Lưu lượng hơi trung bình đi trong tháp

2

1 , ,



(kg/h)

g’n : lượng hơi ra khỏi đoạn chưng (kg/h)

g’1 : lượng hơi đi vào đoạn chưng (kg/h)

1

1

' 1 1 ' 1 ' 1 '

.'.''.'

'

r g r g r g

x W y g x G

W g G

n n

W W

(III.2)Với : G’

1 : lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn chưng

r’1 : ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng

Tính r’ 1 :

Với xW =0.127 tra đồ thị cân bằng của hệ ta có : yW =0.259

→ ´y W=0.229( phần khối lượngbenzen )

Với t’1 = tW = 105.15oC (Tra tài liệu tham khảo), ta có :

Ẩn nhiệt hoá hơi của benzen : r’B1 =374.938 (kJ/kg)

Ẩn nhiệt hoá hơi của toluen : r’T1 = 365.519 (kJ/kg)

Suy ra : r’1 = r’B1.yW + (1-yW).r’T1 = 367.676 (kJ/kg)

Tính r 1 :

r1 = rB1.y1 + (1-y1).rT1 =10.979.y1+369.745 = 374.653 (kJ/kg)

W = 63.19(kmol/h) → ´ W =63.19 × 90.22=5701.987 kg /h

Giải hệ (III.2) , ta được :

x’1 = 0.172 (phần khối lượng benzen)

 Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp :

Tốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp với mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền :

ytb

xtb

'.05,0'





Với : ρ'xtb : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (Kg/m3)

ρ'ytb : khối lượng riêng trung bình của pha hơi (Kg/m3)

Nồng độ phân mol trung bình :

Với t’tb = 100.9oC , (Tra tài liệu tham khảo), ta có :

Khối lượng riêng của benzen : ρ’B = 791.915(kg/m3)

Khối lượng riêng của toluen : ρ’A = 787.01(kg/m3)

Vậy : đường kính đoạn cất :

Dchưng=0.0188 ×√0.668 × 2.836217.225 =1.078 m

Kết luận: Hai đường kính đoạn cất và đoạn chưng không chênh lệch nhau quá

lớn nên theo qui chuẩn ta chọn đường kính của toàn tháp là: Dt = 1000 (mm)

4.2 Tính chiều cao của tháp theo số bậc thay đổi nồng độ

Chiều cao của tháp mâm (đĩa) để chưng cất (khoảng cách giữa mâm đỉnh và mâmđáy) được xác định theo phương trình:

H=h(N TT−1), m

Với: NTT - là số mâm thực của tháp chưng cất

h – là khoảng cách giữa các mâm, phụ thuộc vào nhiều yếu tố, cho trong

sổ tay

Ta có Dt=1000 mm và tháp làm bằng vật liệu thép nên ta chọn h = 300 mm mà

NTT = 20 mâm để dự trữ ta lấy NTT= 24 mâm

⟹ H=0.3 × (24−1 )=6.9 m

4.3 Tính thủy lực của mâm

4.3.1 Cấu tạo mâm lỗ

Chọn tháp mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền với:

 Tổng tiết diện của lỗ (tiết diện tự do) bằng 8% tổng tiết diện mâm