phương pháp chưng cất hệ benzen toluen

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆUChưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của một 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

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU ……… 3

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 4

I Lý thuyết về chưng cất 4

I.1 Khái niệm 4

I.2 Các phương pháp chưng cất 4

I.3 Thiết bị chưng cất 5

II Giới thiệu sơ bộ nguyên liệu 6

II.1 Benzen 6

II.2 Toluen 6

II.3 Hỗn hợp Benzen-Toluen 7

CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 9

CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT 11

I Các thông số 11

II Nồng độ phần mol 11

III Suất lượng khối lượng các dòng pha 11

IV Chỉ số hồi lưu làm việc 12

V Suất lượng mol của các dòng pha 13

VI Phương trình đường làm việc-Số mâm lý thuyết 14

VII Số mâm thực 15

CHƯƠNG 4: CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG 16

I Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng cất 16

II Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị đun nóng dòng nhập liệu 17

III Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ hồi lưu 17

IV Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 18

V Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đáy 18

VI Tổng lượng hơi đốt và nước làm lạnh sử dụng 19

CHƯƠNG 5: TÍNH THIẾT BỊ CHÍNH 20

I Tính kích thước tháp 20

I.1 Tính đường kính tháp 20

I.2 Tính chiều cao tháp 21

II Tính chóp và ống chảy chuyền 22

II.1 Tính chóp và ống chảy chuyền 22

II.2 Kiểm tra điều kiện hoạt động 23

III Tính trở lực của tháp 29

III.1 Phần luyện 29

III.2 Phần chưng 30

III.3 Tổng trở lực của tháp P 31

IV Tính cơ khí 31

IV.1 Tính bề dày thân tháp 31

IV.2 Tính-chọn bề dày đáy và nắp 32

IV.3 Bích ghép thân, đáy và nắp 32

IV.4 Đường kính ống dẫn và bích ghép các ống dẫn 33

IV.5 Chân đỡ và tai treo 36

IV.6 Lớp cách nhiệt 39

CHƯƠNG 6: TÍNH THIẾT BỊ PHỤ 40

I Thiết bị đun sôi đáy tháp 40

II Thiết bị đun nóng dòng nhập liệu 42

III Thiết bị ngưng tụ hồi lưu 46

IV Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 49

V Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy 52

VI Bồn cao vị 57

VII Bơm 59

CHƯƠNG 7: GIÁ THÀNH THIẾT BỊ 62

KẾT LUẬN 64

TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

LỜI MỞ ĐẦU

Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển và cùng với nó là nhu cầu ngày càng cao về độ tinh khiết của các sản phẩm Vì thế, các phương pháp nâng cao độ tinh khiết luôn luôn được cải tiến và đổi mới để ngày càng hoàn thiện hơn, như là: cô đặc, hấp thụ, chưng cất, trích ly,… Tùy theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có sự lựa chọn phương pháp phù hợp Đối với hệ Benzen – Toluen là 2 cấu tử tan lẫn hoàn toàn, ta phải dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết

Đồ án môn học Quá trình và 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 giúp sinh viên giải quyết nhiệm vụ tính toán cụ thể về: quy trình công nghêä, kết cấu, giá thành của một thiết

bị trong sản xuất hóa chất - thực phẩm Đây là bước đầu tiên để sinh viên vận dụng những kiến thức đã học của nhiều môn học vào giải quyết những vấn đề kỹ thuật thực tế một cách tổng hợp

Nhiệm vụ của Đồ án này là thiết kế hệ thống chưng cất Benzen – Toluen loại tháp mâm chóp có năng suất nhập liệu là 1,5m3/h, nồng độ nhập liệu là 30%(kg Benzen/ kg hỗn hợp), nồng độ sản phẩm đỉnh là 90%( kg Benzen/ kg hỗn hợp), nồng độ sản phẩm đáy là 1,5%( kg Benzen/ kg hỗn hợp)

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Máy – Thiết Bị , đặc biệt là thầy Hoàng Minh Nam, người đã trực tiếp hướng dẫn và giúp đỡ em rất nhiều trong suốt thời gian thực hiện đồ án thiết kế này Tuy nhiên, trong quá trình hoàn thành đồ án không thể không có sai sót, em rất mong quí thầy cô góp ý, chỉ dẫn

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của một 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 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 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 thu được 2 sản phẩm:

Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần rất ít các cấu tử có độ bay hơi bé

Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi bé và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi lớn

 Đối với hệ Benzen – Toluen:

 Sản phẩm đỉnh chủ yếu là Benzen

 Sản phẩm đáy chủ yếu là Toluen

Phân loại theo áp suất làm việc:

 Áp suất thường

 Áp suất thấp: khi các cấu tử của hỗn hợp dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao hoặc hỗn hợp có nhiệt sôi quá cao

 Áp suất cao: khi các cấu tử của hỗn hợp không hóa lỏng ở áp suất thường

Phân loại theo nguyên lý làm việc:

 Chưng cất đơn giản: để tách các hỗn hợp gồm các cấu tử có độ bay hơi rất khác nhau, tách sơ bộ hoặc làm sạch các cấu tử khỏi tạp chất

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

 Chưng cất: là phương pháp phổ biến nhất dùng để tách hoàn toàn hỗn hợp các cấu tử dễ bay hơi có tính chất hòa tan một phần hoặc hòa tan hoàn toàn vào nhau.Phân loại theo phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp:

 Cấp nhiệt trực tiếp: khi hỗn hợp đem chưng cất có chứa nước được lấy ra trong dòng sản phẩm đáy, cấu tử còn lại dễ bay hơi thì có thể sử dụng hơi nước để cấp nhiệt trực tiếp cho đáy tháp.

 Cấp nhiệt gián tiếp

 Từ các tính chất của Benzen, Toluen và hệ Benzen-Toluen, chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp nhiệt gián tiếp bằng nồi đun ở áp suất thường

Trong sản xuất 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 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 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 được cho tiếp xúc với nhau Tùy theo cấu tạo của đĩa, ta có:

 Tháp mâm chóp : trên mâm có chóp dạng tròn, xupap, chữ s…

 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: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự

Ưu nhược điểm của các loại tháp:

Tháp chêm Tháp mâm xuyên lỗ Tháp mâm chóp

Ưu

điểm

- Cấu tạo khá đơn giản

- Trở lực thấp

- Làm việc được với chất lỏng bẩn

nếu dùng đệm cầu có    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

II Giới thiệu sơ bộ nguyên liệu

CTPT: C6H6

CTCT:

Benzen là đại diện đơn giản nhất của hydrocacbon thơm

Benzen là chất lỏng không màu, mùi đặc trưng, dễ cháy, khi cháy cho ngọn lửa màu vàng, tỏa nhiều khói đen

Benzen rất độc, nồng độ nhỏ gây hôn mê, nồng độ lớn dễ dẫn đến tử vong, là tác nhân gây ung thư

Benzen tan nhiều trong etanol, ete, clorofom, axeton, axit axetic, CCl4, CS2 và các dung môi khác; tan ít trong nước Benzen khó bị oxy hóa nên gần như không bị biến tính trong quá trình tồn trữ

Benzen là một thành phần trong dầu thô, là một sản phẩm của quá trình chưng cất dầu mỏ Tuy nhiên người ta thường tổng hợp benzen từ các chất trong dầu mỏ hơn là thu trực tiếp

Dùng làm dung môi, làm nguyên liệu để tổng hợp chất nổ, anilin, stiren, các ankyl benzen, phenol, nitrobenzen…

CTPT: C6H5CH3

CTCT:

CH3

Toluen là đại diện tiêu biểu của hydrocacbon thơm

Toluen là chất lỏng không màu, mùi giống benzen, dễ cháy, bay hơi nhưng rất ít.Toluen rất độc, nếu tiếp xúc với toluen trong thời gian đủ dài, có thể gây bệnh ung thư

Toluen tan được trong etanol, ete, axeton, hexan, benzen; khả năng tan trong nước kém hơn benzen

Toluen là một thành phần trong dầu thô Người ta thường tổng hợp toluen từ các chất trong dầu mỏ

Toluen chủ yếu được dùng làm dung môi hòa tan nhiều loại vật liệu như sơn, chất hóa học, cao su, mực in, chất kết dính…Trong ngành hóa sinh, người ta dùng toluen để tách hemoglobin từ tế bào hồng cầu

II.3 Hỗn hợp Benzen-Toluen

Hỗn hợp Benzen-Toluen được lấy từ các quá trình tổng hợp các sản phẩm dầu khí như: reforming xúc tác, steam cracking, cốc hóa than đá

Hỗn hợp Benzen-Toluen là hỗn hợp hai cấu tử hòa tan hoàn toàn, trong đó benzen là cấu tử dễ bay hơi

Số liệu cân bằng lỏng-hơi của hệ benzen-toluen ở áp suất thường (Bảng 47, trang 39,[6]:

0,05 0,115 108,30,1 0,214 106,10,2 0,38 102,20,3 0,511 98,60,4 0,619 95,20,5 0,712 92,1

x y

Giản đồ y-x của hệ Benzen-Toluen

80 90 100 110 120

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

x,y t

Giản đồ t – x,y của hệ Benzen-ToluenTừ số liệu cân bằng lỏng-hơi, hỗn hợp Benzen-Toluen có độ sai lệch so với định luật Raoult nhỏ, hỗn hợp này gần như lý tưởng

Việc phân tách hỗn hợp này rất quan trọng trong công nghiệp Trong thực tế, hỗn hợp này được phân tách bằng nhiều cách như: chiết tách, hấp phụ, chưng cất…Trong công nghiệp, phương pháp chưng cất được sử dụng rộng rãi do có hiệu quả cao và đơn giản

CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

-Sơ đồ quy trình công nghệ chưng cất hệ Benzen-Toluen:

Chú thích các kí hiệu trong qui trình:

1 Bồn chứa nguyên liệu

9 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh

10 Bộ phận phân dòng

11 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh

12 Bồn chứa sản phẩm đỉnh

13 Áp kế

14 Nồi đun đáy tháp

15 Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy

16 Bồn chứa sản phẩm đáy

-Thuyết minh quy trình công nghệ:

Hỗn hợp benzen – toluen có nồng độ benzen 30% (theo khối lượng), nhiệt độ khoảng 30oC tại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3) Từ đó, hỗn hợp được đưa đến thiết bị gia nhiệt nhập liệu (5), được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi, rồi được đưa vào tháp chưng cất (7) 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 từ dưới lên gặp chất lỏng 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 dưới càng giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi tạo nên từ nồi đun (14) 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 toluen sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử benzen chiếm nhiều nhất (nồng độ khối lượng 90%) Hơi này đi vào thiết

bị ngưng tụ (9) và được ngưng tụ hoàn toàn Một phần chất lỏng ngưng tụ được hoàn lưu về tháp ở đĩa trên cùng Phần còn lại đi vào thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (11), được làm nguội đến 30oC, rồi được đưa vào bồn chứa sản phẩm đỉnh (12) Một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp được bốc hơi, còn lại cấu tử có nhiệt độ sôi cao trong chất lỏng ngày càng tăng 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 1,5 % phần khối lượng, còn lại là toluen Dung dịch lỏng đáy đi ra khỏi tháp vào nồi đun (14) 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 đưa đến thiết bị làm nguội sản phẩm đáy(15), được làm nguội đến 30oC rồi đưa vào bồn chứa sản phẩm đáy(16)

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

CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT

I Các thông số

Các ký hiệu:

 GF, F: suất lượng nhập liệu tính theo kg/h, kmol/h

 GD, D: suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo kg/h, kmol/h

 GW, W: suất lượng sản phẩm đáy tính theo kg/h, kmol/h

 xi,xi : nồng độ phần mol, phần khối lượng của cấu tử i

Năng suất nhập liệu: 1,5m3/h

Nồng độ (phần khối lượng):

 Nhập liệu:xF = 0,3 (kg Benzen/ kg hỗn hợp)

 Sản phẩm đỉnh:xD = 0,9 (kg Benzen/ kg hỗn hợp)

 Sản phẩm đáy:xW = 0,015 (kg Benzen/ kg hỗn hợp)

Chọn nhiệt độ nhập liệu (tại bình chứa nguyên liệu): tFV = 30oC

Trạng thái nhập liệu là trạng thái lỏng sôi

Thiết bị ngưng tụ hồi lưu ngưng tụ hoàn toàn hơi thành lỏng ở nhiệt độ sôi

Lưu lượng mol của các dòng pha đi trong mỗi đoạn tháp (chưng và luyện) là không đổi, đường làm việc là đường thẳng

Khối lượng phân tử:

3,0111,78

3,0

11,78

3,01

Toluen

F Benzen

x

M

x

Tính tương tự cho sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy

Kết quả tính nồng độ phần mol:

x (kg Benzen/ kg hỗn hợp) x (kmol Benzen/ kmol hỗn hợp)

III Suất lượng khối lượng các dòng pha

Tra bảng 4, trang 11, [6]:

 Khối lượng riêng của benzen ở 30oC: B = 868,5 (kg/m3)

 Khối lượng riêng của toluen ở 30oC: T = 856 (kg/m3)

Áp dụng công thức (1.2), trang 5, [7]:

310.163,1856

3,015,868

3,0

T

FT B

W W

F

D W

D

F

W W D

D

F

F

W D

F

x x

G x

x

G x

x

G

x G x

015,03,0

F W

555,0914,0

V Suất lượng mol của các dòng pha

G,yF,xF

hoi nu? c

nu ?c

Suất lượng mol của dòng nhập liệu, sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy:

Khối lượng mol trung bình của hỗn hợp nhập liệu:

568,1289

Tính tương tự cho sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy:

Suất lượng khối lượng

(kg/h) Khối lượng mol(kg/kmol) Suất lượng mol(kmol/h)

Cân bằng vật chất cho thiết bị ngưng tụ hồi lưu:

Suất lượng mol của các dòng pha:

F(kmol/h) D(kmol/h) W(kmol/h) G1=G=G’(kmol/h) Lo=L(kmol/h) L’(kmol/h)

Suất lượng mol tương đối của dòng nhập liệu:







236.5

751.14

914.01428.2

428.21

1817.21

428.2

817.2428.21

1

f x R

f R

= 1,530x – 0,009

00.20.40.60.81

Số mâm phần luyện (kể cả mâm nhập liệu) là: nltL= 6

Số mâm phần chưng(kể cả nồi đun) là: nltC= 8

Số mâm lý thuyết là: nlt= 8+6 =14

VII Số mâm thực

Tại vị trí nhập liệu:

(

)1

)336,01.(

555,0



 =2,467Tra bảng 9, trang 16, [6]

 Độ nhớt động lực của Benzen ở tFS=97,5oC: B = 0,268 (Cp)

 Độ nhớt động lực của Toluen ở tFS=97,5oC: T = 0,277 (Cp)

Độ nhớt động lực học của hỗn hợp (áp dụng CT(I.12) trang 84, [7]):

3

55,055,055,03

3 2

CHƯƠNG 4: CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG

Các thông số:

xF = 0,336  tFS = 97,5 oC

xD = 0,914  tDS = 81,7oC

xW = 0,018 tWS = 109,6oC

Chọn hơi đốt là hơi nước bão hòa ở áp suất tuyệt đối 2,5 at:

Tra bảng 57, trang 46, [6]:

 Nhiệt ngưng tụ: rh = 2189,5 (kJ/kg)

 Nhiệt độ ngưng tụ: 126,25oC

Sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy được làm nguội xuống 32oC

Chọn:

 Hơi đốt là hơi nước bão hòa ở áp suất tuyệt đối 2,5 at, rh = 2189,5 (kJ/kg)

Cân bằng nhiệt lượng cho toàn tháp:

QĐ+ GF CFStFS = Qnt + GD CDStDS + GW CWStWS + Qm

Nhiệt lượng nồi đun của tháp cung cấp:

QĐ = Qnt + GD CDStDS + GW CWStWS- GF CFStFS + Qm= Gh.rh

Giả sử Qm = 0,05QĐ 0,95QĐ = Qnt + GD CDStDS + GW CWStWS- GF CFStFS

Với CFS , CDS, CWS là nhiệt dung riêng ở tFS, tDS, tWS:

Tra bảng I.153, trang 171, [7]:

 Nhiệt dung riêng của benzen ở tFS = 97,5 oC: CB= 2,109 (kJ/kg.K)

 Nhiệt dung riêng của toluen ở tFS = 97,5 oC: CT= 2,059 (kJ/kg.K)

FS FS F WS WS W DS DS D

95,0

5.97.074,2.3600

1289,5686

,109.100,2.3600

874,2837

,81.037,2.3600



h

Đ r Q

= 272,330 (kg/h)

II Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị đun nóng dòng nhập liệu

Chọn:

 Dòng nhập liệu có nhiệt độ vào tFV = 30 oC và nhiệt độ ra tFS = 97,5 oC

 Hơi đốt là hơi nước bão hòa ở áp suất tuyệt đối 2,5 at

Lượng nhiệt tiêu thụ để gia nhiệt nhập liệu đến nhiệt độ sôi:

Tra bảng I.153, trang 171, [7]:

 Nhiệt dung riêng của benzen ở 63,75oC: CB= 1,950 (kJ/kg.K)

 Nhiệt dung riêng của toluen ở 63,75oC: CT= 1,915 (kJ/kg.K)

 CF=x F C B (1x F)C T=0,3.1,950+(1-0,3).1,915=1,925 (kJ/kg.K)

 Q=

95,0

)305,97.(

925,1.36001289,56895

,0

G

=48,989 (kW)Dùng hơi nước bão hòa ở áp suất tuyệt đối 2,5 at, rh = 2189,5 (kJ/kg) để cấp nhiệt: Q =Gh.rh

Lượng hơi nước cần dùng : Gh=

2189,5

.360048,989



h r

Q = 80,548 (kg/h)

III Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ hồi lưu

Chọn:

 Nước làm lạnh có nhiệt độ vào tV = 27oC và nhiệt độ ra tR = 40oC

 Hơi ngưng tụ hoàn toàn thành lỏng ở nhiệt độ ngưng tụ tDS =81,7oC

Lượng nhiệt trao đổi ở thiết bị ngưng tụ hồi lưu:

Qnt=GD (R+1)rD= Gn (hR– hV)Với:

rD= x D r B (1x D)r T

hV, hR: enthalpy của nước ở 27oC và 40oC

rB, rT là nhiệt ngưng tụ của benzen và toluen ở tDS=81,7oC

Tra bảng 45, trang 38 , [6]:

 Nhiệt ngưng tụ của benzen ở tDS=81,7oC: rB = 392,57 (kJ/kg)

 Nhiệt ngưng tụ của toluen ở tDS=81,7oC: rT = 377,88 (kJ/kg)

 rD= x D r B (1x D)r T=0,9 392,57+(1-0,9) 377,88= 391,10 (kJ/kg)

 Qnt=GD (R+1)rD=

3600

415,285 (2,428+1) 391,10= 154,667 (kW)Tra bảng 1.250, trang 312, [7]:

 Enthalpy của nước ở 27oC : hV = 113,13 (kJ/kg)

 Enthalpy của nước ở 40oC : hR = 167,6 (kJ/kg)

Lưu lượng nước cần dùng:

13,1136,167

.3600154,667

nt n

h h Q

IV Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh

Chọn:

 Nước làm lạnh có nhiệt độ vào tV = 27oC và nhiệt độ ra tR = 32oC

 Sản phẩm đỉnh có có nhiệt độ vào tDS = 81,7oC và nhiệt độ ra tDR = 32oC

Lượng nhiệt trao đổi để làm nguội sản phẩm đỉnh:

Q = GDCD(tDS-tDR)= Gn (hR– hV)Nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh: CD=x D C B (1x D)C T ở nhiệt độ trung bình

Tra bảng I.153, trang 171, [7]:

 Nhiệt dung riêng của benzen ở 56,85oC: CB =1,913(kJ/kg.K)

 Nhiệt dung riêng của toluen ở 56,85oC: CT = 1,884(kJ/kg.K)

 CD=x D C B (1x D)C T=0,9.1,913+(1-0,9).1,884=1,911(kJ/kg.K)

 Q = GDCD(tDS-tDR)=

3600

415,285 1,911.(81,7-32)=10,954(kW)Tra bảng 1.250, trang 312, [7]:

 Enthalpy của nước ở 27oC : hV = 113,13 (kJ/kg)

 Enthalpy của nước ở 32oC : hR = 134,08 (kJ/kg)

 Lưu lượng nước cần dùng:

13,11308,134

.360010,954

h h

Q

Chọn:

 Nước làm lạnh có nhiệt độ vào tV = 27oC và nhiệt độ ra tR = 32oC

 Sản phẩm đáy có nhiệt độ vào tWS = 109,6oC và nhiệt độ ra tWR = 32oC

Lượng nhiệt trao đổi để làm nguội sản phẩm đáy:

Q = GWCW(tWS-tWR)= Gn (hR– hV)Nhiệt dung riêng của sản phẩm đáy: CW=x W C B (1x W)C T ở nhiệt độ trung bình

Tra bảng I.153, trang 171, [7]

 Nhiệt dung riêng của benzen ở 70,8oC: CB =1,987(kJ/kg.K)

 Nhiệt dung riêng của toluen ở 70,8oC: CT = 1,943(kJ/kg.K)

 CW=x W C B (1x W)C T=0,015.1,987+(1-0,015).1,943=1,944(kJ/kg.K)

 Q = GWCW(tWS-tWR)=

3600

874,283 1,944.(109,6-32)=36,633 (kW)Tra bảng 1.250, trang 312, [7]

 Enthalpy của nước ở 27oC : hV = 113,13 (kJ/kg)

 Enthalpy của nước ở 32oC : hR = 134,08 (kJ/kg)

 Lưu lượng nước cần dùng:

13,11308,134

.360036,633

h h Q

VI Tổng lượng hơi đốt và nước làm lạnh sử dụng

Tổng lượng hơi nước bão hòa ở áp suất tuyệt đối 2,5at sử dụng:

272,330 + 80,548 = 352,878 (kg/h)

Tổng lượng nước làm lạnh sử dụng:

10222,181+1882,238+6294,964= 18399,384 (kg/h)

CHƯƠNG 5: TÍNH THIẾT BỊ CHÍNH

I.1.1Phần luyện

Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng trong phần luyện:

Nồng độ phần mol trung bình của pha lỏng trong phần luyện:

2

336,0914,02

x = 0,625 (kmol Benzen/ kmol hỗn hợp)

Dựa vào đồ thị t-x,y, nhiệt độ trung bình của pha lỏng trong phần luyện: tLL = 88,59oCNồng độ phần khối lượng trung bình của pha lỏng trong luyện:

2

3,09,02

x = 0,6 (kg Benzen/ kg hỗn hợp)

Tra bảng 4, trang 11, [6]

 Khối lượng riêng của benzen ở tLL = 88,59oC: B = 805,549 (kg/m3)

 Khối lượng riêng của toluen ở tLL = 88,59oC: T = 799,408 (kg/m3)

Áp dụng công thức (1.2), trang 5, [7]:

6,01549,805

6,01

1

T

L B

L LL

x x

Khối lượng riêng trung bình của pha hơi trong phần luyện:

Nồng độ phần mol trung bình của pha hơi trong phần luyện:

yL = 0,708xL + 0,267 = 0,708 0,625 + 0,267 = 0,709

Dựa vào đồ thị t-x,y, nhiệt độ trung bình của pha hơi trong phần luyện: tHL = 92,06oCKhối lượng riêng trung bình của pha hơi trong phần luyện (áp dụng CT (IX.102) trang 183 [8]):

)27306,92.(

4,22

273]

13,92)

709,01(11,78.709,0[4

,22

273]

)1([

HL

(kg/m3)

Tính vận tốc pha hơi đi trong phần luyện:

Tra bảng IX.4a, trang 169, [8]:

Với đường kính tháp trong khoảng 0,5-0,7 (m) thì khoảng cách giữa các đĩa là Hđ = 250(mm) = 0,25 (m)

Tra hình 2.2, trang 42, [3]  C = 0,027

Vận tốc pha hơi đi trong phần luyện (áp dụng CT (2.18), trang 42, [3]):

744,2

081,803027,0

Tính đường kính phần luyện:

Suất lượng mol của pha hơi trong phần luyện: G=(R+1)D= 17,949 (kmol/h)

Lưu lượng của pha hơi trong phần luyện:

1.3600

)27306,92.(

273

4,22.949,173600

149,0.44

DL=0,642(m)  DC =0,663(m), chọn đường kính theo tiêu chuẩn  Chọn đường kính tháp:

Dt=0,65 (m)(phù hợp với Dt =0,5-0,7m)

Vậy: Đường kính tháp Dt= 0,65 (m)

Vận tốc pha hơi trong phần luyện là:

2

2 0,65

149,0.44

466

,

0

4,08%

Chiều cao của thân tháp:

Hthân= (nt-1)(Hđ+)+ 0,8= (24-1).(0,25+0,002) + 0,8 = 6,596(m)

Trong đó:

ntt : số mâm thực tế, ntt= 24 đĩa

Hđ : khoảng cách giữa các mâm (m), Hđ = 0,25 (m)

: chiều dày của mâm, chọn = 2(mm) =0,002 (mm)

Chọn đáy (nắp) ellip tiêu chuẩn có

t

t

D h = 0,25  ht = 0,25 0,65 = 0,162(m)=162(mm)Chọn chiều cao gờ: hg = 50mm = 0,05 (m)

Chiều cao đáy (nắp): Hđn = ht+ hg = 0,05 + 0,162 = 0,212(m)=212(mm)

Kết luận:

Chiều cao toàn tháp: H = Hthân + 2Hđn = 6,596 + 2.0,212 = 7,02(m)

Chọn đường kính ống hơi của chóp là: dh= 50 (mm) =0,05(m)

Số chóp phân bố trên một mâm:

n

4

2

h d

 = 0,1

4

2

t D



 n = 0,1 22

h

t d

D = 0,1 22

05,0

65,

Trong đó :

: hệ số trở lực của mâm chóp, = 1,52, chọn =2

y =

n d

Q h

G

42

 (m/s)

QG: lưu lượng hơi đi trong tháp (m3/s)

x,y : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha hơi (kg/m3)

QG=0,5.(QHL+QHC)=0,5.(0,149+0,155)=0,152(m3/s)

y =

19.05,0

152,0.4

G = 4,076 (m/s)

x=0,5.(LL+LC)=0,5.(803,081+785,177)=794,129 (kg/m3)

y=0,5.(HL+HC)=0,5.(2,744+2,850)=2,797 (kg/m3)

 hso=

129,794.81,9

797,2.076,4.2

2

so

h ch h

d d

5074(3

)4(

2 2

hsc : khoảng cách từ mép dưới chóp đến mâm, hsc = 12,5 (mm)

hsr : khoảng cách từ mép dưới khe chóp đến mép dưới chóp, chọn hsr = 5 (mm)

hso : chiều cao của khe chóp, hso=20 (mm)

hts : khoảng cách từ mép trên khe chóp đến bề mặt chất lỏng, hts = 20 (mm)

 hm = 12,5 + 5 + 20 +20 =57,5 (mm)

Kiểm tra khoảng cách giữa các mâm:

hmin = 23300

2

 

ch

y x

y d n

'

'' '

y

tb y y y

tb y y

074,0 19

458,0.332,0.129.794

797,2.23300

y d n

F

= 0,097 (m) < 0,25 (m)Vậy khoảng cách giữa hai mâm là 0,25m là hợp lý

Độ mở lỗ chóp:

Với lỗ chóp hình chữ nhật: hs = 7,55.( )1 / 3.( )2 / 3.( )2 / 3

s

G so

y x

y

S

Q h

152,0.(

)20.(

)797,2129,794

797,2.(

55,7)

.(

).(

).(

y x

y

S

Q h

Trong đó:

QL: lưu lượng chất lỏng (m3/h)

E: hệ số hiệu chỉnh cho gờ chảy tràn, E = f( 2,5 , )

t w w

L D

L L Q

Lw: chiều dài gờ chảy tràn (m), chọn Lw = 0,65Dt = 0,65.0,65 = 0,42 (m)

370,83.236,5.428,2

'



LL m M D R

653,89)

751,14236,5.428,2()

LC m M F D R

228,2.226,0)

W

L L

228,2.(

04,1.84,2)

W

L L

Gradient chiều cao mực chất lỏng trên mâm:

= Cg ’.mTrong đó:

m: số hàng chóp mà pha lỏng phải chảy qua,m=5

’: gradient chiều cao mực chất lỏng qua một hàng chóp

Cg: hệ số hiệu chỉnh cho suất lượng pha khí xác định

42,0arcsin4

.arcsin4

2 2

h =

4

42,04

65,044

2 2

2 2

022,0

 A = Smâm– 2Sd =0,332 – 2.0,022 = 0,288 (m2)

-Khoảng cách giữa hai gờ chảy tràn: l = Dt– 2dw = 0,65-2.0,077 = 0,496(m)

-Bề rộng trung bình của mâm:

Bm =

496,0

288,0

228,234,1

152,0.4

Chiều cao gờ chảy tràn:

hw = hm– (how +/2) = 57,5 - (9,0 + 6,2/2) = 45,4 (mm)

Chọn bề dày gờ chảy tràn w=2(mm)

Khoảng cách từ mâm đến chân ống chảy chuyền:

S1 = 0,25dw=0,25.77=19 (mm)

Chiều cao của chóp:

hch=1,1.(hW+ how +) + h2 +ch=1,1(45,4+9,0+6,2)+12,5+2=81,16mm

Chọn hch=82 (mm) =0,082(m)

Chiều cao của ống hơi: hh= hch-( h2 +ch)=82 – (12,5+2)=67,5mm

Độ giảm áp của pha khí trên một mâm:

ht =hfv + hs + hss + how+/2 mmTrong đó :

hfv : độ giảm áp do ma sát và biến đổi vận tốc pha khí thổi qua chóp khi không có chất lỏng

hfv = 274 ( ).( )2

r

G y x

y S

Q K







-Diện tích ống hơi của chóp: Srj =

4

05,0.4

2  2

 d h 

= 0,00196(m2)-Tổng diện tích ống hơi của mỗi mâm: Sr =n.Srj =19 0,00196= 0,0373(m2)

-Diện tích hình vành khăn giữa thân chóp và ống hơi:

Saj =   (0,074 0,05 )

4)(

4

2 2

Tra đồ thị hình 5.16, trang 115, [2]

 Hệ số tổn thất áp suất cho tháp khô K=0,525

hfv =

2 2

0373,0

152,0.797,2129,794

797,2

525,0.274)

y S

Q K







= 8,4 (mm)

hss : chiều cao thủy tĩnh lớp chất lỏng trên khe chóp đến gờ chảy tràn

Chiều cao gờ chảy tràn trên mâm : hw = hsc + hsr + hso+ hss

Chứng tỏ mâm hoạt động ổn định

Chiều cao mực chất lỏng không bọt trong ống chảy chuyền:

hd =hw + how +  + ht + hd’ (mm)Trong đó:

hd’: tổn thất thủy lực do dòng chảy từ trong ống chảy chuyền vào mâm

hd’ =

2 2

022,0.100

228,2.128,0

Q

=0,13 (mm)

 hd = 45,4 + 9,0 + 6,2 + 51,3 + 0,13 =112,03 (mm)

Chiều cao hdđược dùng để kiểm tra khoảng cách mâm Để đảm bảo điều kiện tháp không

bị ngập lụt khi hoạt động: hd < Hđ/2

Ta có Hđ/2 = 250/2=125 > hd

 Thỏa mãn

Chất lỏng chảy vào ống chảy chuyền:

Để kiểm tra xem chất lỏng chảy vào ống chảy chuyền có đều hay không và chất lỏng không va đập vào thành thiết bị Giá trị dtw không nên vượt quá 60% bề rộng ống chảy chuyền

Kết quả:

Đường kính trong ống hơi của chóp dh 50mmSố chóp phân bố trên một mâm n 19 chóp

Số hàng chóp mà pha lỏng phải chảy qua m 5

Chiều cao chóp phía trên ống dẫn hơi h2 12,5mmKhoảng cách từ mép dưới chóp đến mâm hsc 12,5mmKhoảng cách từ mép dưới khe chóp đến mép dưới chóp hsr 5mm

Chiều cao mực chất lỏng trên khe chóp hts 20mmSố lượng khe hở của mỗi chóp i 45 khe

Bước tối thiểu của chóp trên mâm tmin 109mm

Khoảng cách giữa hai gờ chảy tràn l 496mmKhoảng cách từ mâm đến chân ống chảy chuyền S1 19mmChiều cao mực chất lỏng trên gờ chảy tràn how 9,0mmChiều cao thủy tĩnh lớp chất lỏng trên khe chóp đến gờ chảy tràn hss 7,9mmChiều cao mực chất lỏng trung bình trên mâm hm 57,5mmGradient chiều cao mực chất lỏng trên mâm  6,2mm

III Tính trở lực của tháp

Trở lực tháp chóp được xác định theo công thức :

P = nt Pđ ( N/m2)

nt : số mâm thực của tháp

Pđ : tổng trở lực của một mâm

Ở phần chưng và phần luyện, trở lực qua các đĩa không đồng đều Do đó để chính xác, trở lực sẽ được tính riêng cho từng phần

III.1 Phần luyện

Tổng trở lực của một mâm: Pđ = Pk + Ps +Pt

Trở lực đĩa khô: Pk =

 : hệ số trở lực,  = 4,5 - 5, chọn  = 5

y =HL= 2,744 (kg/m3)

o : vận tốc hơi qua rãnh chóp (m/s )

o =

02,0.002,0.45.19

149,0

2 2



4

Trong đó:

 : sức căng bề mặt hỗn hợp

Tra bảng 24, trang 25, [6], ở tLL = 88,59oC:

1

10.6,20

1

  hh = 10,21.10-3 (N/m)

dtd : đường kính tương đương của khe rãnh, dtd =



x f

.4

fx : diện tích tiết diện tự do của rãnh, fx=4.a.hso

 : chu vi rãnh, =2.(a+hso)

2

4

so

so h a

h a

3,636(mm)= 3,636.10-3(m)

 Ps = 33

10.636,3

10.21,10.44







tđ d

 =11,226(N/m2)

Trở lực của lớp chất lỏng trên mâm(trở lực thủy tĩnh):

Pt = b.g.( hb– hr /2) (N/m2)

Trong đó:

b: khối lượng riêng của bọt, b = ( 0,4  0,6 )x

Chọn b = 0,5.x = 0,5.LL= 0,5.803,081 = 401,541( kg/m3)

hr: chiều cao của khe chóp, hr= hso = 20 (mm) = 0,02 (m)

hb: chiều cao lớp bọt trên đĩa, (m)

hb =

b

b x ch b

x x

c

F

f h h f h f

F h h

( )

F: phần diện tích bề mặt mâm có gắn chóp: F = A = Smâm– 2Sd = 0,288 (m2)

f: tổng diện tích các chóp trên mâm: f = 10 19

4

)2.274(.4

6 2 2

x x

c

F

f h h f h f

F h h

( )

).(

=

541,401.288,0

091,0.541,401.0225,0081,803)

091,0288,0).(

0225,0009,00454

,

0

541,401.288,0

541,401.091,0)

0225,0082

Tổng trở lực qua một mâm:

P g

563,385 



g

P x

d

 =0,0901 < 0,25 thỏa mãn

Vậy chọn Hđ= 0,25(m) là hợp lý

Vì tháp hoạt động ở áp suất thường nên ta thiết kế thân hình trụ bằng phương pháp hàn hồ quang điện, kiểu hàn giáp mối 2 phía Thân tháp được ghép với nhau bằng các mối ghép bích Vì tháp hoạt động ở nhiệt độ cao (>100oC) nên ta phải bọc cách nhiệt cho tháp Chọn vật liệu thân tháp là thép không gỉ mã X18H10T

IV.1.1Các thông số cho quá trình tính toán

Nhiệt độ tính toán:

xW = 0,018

 Nhiệt độ sôi của pha lỏng: 109,6 (oC)

Nhiệt độ sôi của pha hơi: 110 (oC)

 tmax =110oC

Vì thiết bị có bọc lớp cách nhiệt: ttt = tmax + 20oC = 110 + 20 = 130 (oC)

Áp suất tính toán:

Vì tháp hoạt động ở áp suất thường nên:

Hệ số hiệu chỉnh: Vì thiết bị có bọc lớp cách nhiệt:  = 0,95

 Ứng suất cho phép: [] =  []* = 0,95.140 =133(N/mm2)

Hệ số bền mối hàn:

Đường kính tháp Dt = 650mm, phương pháp hàn hồ quang điện, kiểu hàn giáp mối 2 phía: h = 1 (Bảng 1.8, trang 19, [9])

Hệ số bổ sung do ăn mòn hóa học của môi trường:

Tốc độ ăn mòn là 0,1 (mm/năm), thời gian sử dụng thiết bị là 20 năm

 Ca = 2mm

IV.1.2 Tính bề dày thân tháp

95,0.0638,0

133]

0638,0.650]

[2



h

t

tt D P



 = 0,16(mm)

 S= S’+ Ca=0,16 + 2 =2,16(mm)

Quy tròn theo tiêu chuẩn: S = 3(mm) (Bảng XIII.9, trang 364, [8])

Bề dày tối thiểu: Smin = 3 (mm) (Bảng 5.1, trang 94, [9])

 Bề dày S=3 mm

Kiểm tra:

1,00015,0650

)23.(

1.133.2)(

)(

a h

C S

D

C S

P   =0,409 (N/mm2) > P

tt =0,0638 (N/mm2)Kết luận: Sthân = 3(mm)

Chọn đáy và nắp ellip tiêu chuẩn, có gờ, làm bằng thép X18H10T

Chọn bề dày đáy và nắp bằng bề dày thân tháp: S = 3 (mm)

t

a h

t

a

P mm N C

S

R

C S P

D

C

S

2/409,0)(

)(

Chiều cao gờ: hg = 50mm = 0,05 (m)

Diện tích bề mặt trong: 0,56 (m2) (Bảng XIII.10, trang 382, [8])

Thể tích: 0,0524 (m3) (Bảng XIII.10, trang 382, [8])

Mặt bích là bộ phận quan trọng dùng để nối các phần của thiết bị cũng như nối các bộ phận khác với thiết bị Các loại mặt bích thường sử dụng:

Bích liền: là bộ phận nối liền với thiết bị (hàn, đúc và rèn) Loại bích này chủ yếu dùng thiết bị làm việc với áp suất thấp và áp suất trung bình

Bích tự do: chủ yếu dùng nối ống dẫn làm việc ở nhiệt độ cao, để nối các bộ bằng kim loại màu và hợp kim của chúng, đặc biệt là khi cần làm mặt bích bằng vật liệu bền hơn thiết bị.

Bích ren: chủ yếu dùng cho thiết bị làm việc ở áp suất cao

Chọn bích ghép thân, đáy và nắp là bích liền không cổ làm bằng thép CT3

Tra bảng XIII.27, trang 417, [8] ứng với Dt = 650 (mm) và Ptt = 0,0623 (N/mm2)

Chọn bích có các thông số sau:

than

H

6,396

 Số mặt bích cần dùng để ghép là: (7 + 1).2 = 16 (bích)

Độ kín của mối ghép bích chủ yếu do vật đệm quyết định Đệm làm bằng các vật liệu mềm hơn so với vật liệu bích Khi xiết bu lông, đệm bị biến dạng và điền đầy lên các chỗ gồ ghề trên bề mặt của bích Vậy, để đảm bảo độ kín cho thiết bị, chọn đệm là dây amiăng, có bề dày là 3(mm)

Ống dẫn được làm bằng thép X18H10T

Bích ghép các ống dẫn là bích liền không cổ được làm bằng thép CT3