THIẾT kế THÁP CHƯNG LUYỆN BENZEN TOLUEN với NĂNG SUẤT NHẬP LIỆU 5 5 KG TRÊN s

Vậy qua phân tích trên ta sử dụng tháp mâm chóp để chưng cất hệ Benzen-Toluen ở áp suất thường bằng phương pháp chưng cất liên tục... • Toluen có tính chất dung môi t

Trang 1

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên chúng em xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bà Rịa-Vũng Tàu, Khoa Hóa Học và Công nghệ Thực Phẩm đã tạo điều kiện để chúng em tham gia vàhoàn thành tốt đồ án này Đồng thời chúng em cũng đặc biệt cảm ơn thầy PGS.TS Nguyễn Văn Thông, các thầy cô bộ môn trong khoa đã tận tình hướng dẫn để chúng em hoàn thành tốt nhiệm vụ

Trong quá trình làm đồ án, dưới sự hướng dẫn của thầy chúng em đã cố gắng tìm hiểu, tiếp thu kiến thức, học hỏi kinh nghiệm, rèn luyện tác phong làm việc và đã trưởng thành hơn rất nhiều Mặc dù đã cố gắng rất nhiều trong quá trình làm việc nhưng vẫn không tránh khỏi những thiếu sót nhất định Vì vậy, chúng em rất mong nhận được sự đánh giá, đóng góp ý kiến của quý thầy cô trong hội đồng bảo vệ để đồ án công nghệ này được hoàn thiện hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Vũng Tàu, ngày…tháng…năm 2014 Nhóm sinh viên

Trang 2

MỤC LỤCLỜI MỞ ĐẦU

Trang 3

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3.1: Thành phần cân bằng lỏng (x), hơi (y) tính theo % mol và nhiệt độ sôi của hỗn hợp 2 cấu tử Benzen-Toluen ở 760 mmHg

Bảng 3.2: Thành phần benzen-toluen trong hỗn hợp

Bảng 3.3: Quan hệ giữa tỉ số hồi lưu thích hợp với Nlt

Bảng 3.4: Độ nhớt của hỗn hợp

Bảng 5.1: Kích thước bích của các loại ống dẫn

Bảng 5.2: Kích thước bề mặt đệm kín

Bảng 5.3: Các kích thước của chân đỡ (tính bằng mm)

Bảng 5.4: Các kích thước của tai treo (tính bằng mm)

Trang 4

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Cấu tạo tháp mâm xuyên lỗ

Hình 1.2: Cấu tạo tháp mâm chóp

Hình 1.3: Cấu tạo tháp đệm

Hình 3.1: Đồ thị cân bằng pha của hỗn hợp benzen-toluen tại P=760mmHg

Hình 3.2: Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa N và N(R+1)

Hình 3.3: Đồ thị xác định số mâm lý thuyết chưng cất hệ benzen-toluen tại

P=760mmHg

Hình 5.1: Đáy và nắp elip có gờ

Hình 5.2: Bích ghép CT3 (kiểu I)

Hình 5.3: Bích ghép CT3 (kiểu I) để nối các ống dẫn

Hình 5.4: Chân đỡ tháp chưng cất

Hình 5.5: Tai treo tháp chưng cất

Trang 5

LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, 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 cóđóng góp vô cùng to lớn đó là ngành công nghiệp hóa học, đặc biệt là ngành sảnxuất các hóa chất cơ bản, phục vụ cho đa số các ngành công nghiệp

Hiện nay, các ngành công nghiệp cần sử dụng rất nhiều hóa chất có độtinh khiết cao Nhu cầu này đặt ra cho các nhà sản xuất hóa chất là sử dụngnhiều phương pháp để nâng cao độ tinh khiết của sản phẩm như: trích ly, chưngcất, cô đặc, hấp thu … Tuỳ theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có sự lựachọn phương pháp cho phù hợp Đối với hệ benzen – toluen là hệ 2 cấu tử tanlẫn vào nhau và có nhiệt độ sôi khác xa nhau nên ta chọn phương pháp chưng cấtliên tục tách các cấu tử trong hỗn hợp để nâng cao độ tinh khiết cho benzen

Đồ án môn học Quá trình & Thiết bị là một môn học mang tính tổng hợptrong quá trình học tập của các kỹ sư Công nghệ Hóa học trong tương lai Mônhọc này giúp sinh viên có thể tính toán cụ thể : quy trình công nghệ, kết cấu, giáthành của một thiết bị trong sản xuất hóa chất - thực phẩm Đây là lần đầu tiênsinh viên được vận dụng các kiến thức đại học để giải quyết các vấn đề kỹ thuậtthực tế một cách tổng hợp

Nhiệm vụ của đồ án là thiết kế tháp mâm chóp để chưng luyện hỗn hợpbenzen-toluen có nổng độ nhập liệu 3 5 % phần khối lượng benzen, nồng độ sảnphẩm đỉnh là 98%, nồng độ sản phẩm đáy là 1,7% khối lượng benzen, nhập liệuở trạng thái lỏng sôi với năng suất nhập liệu là GF=5,5kg/s

Trang 6

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT

I. Lý thuyết về chưng cất

1. Khái niệm

- Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của hỗn hợp lỏng-lỏng cũng như hỗn hợp khí-lỏng thành các cẩu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơikhác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp (nghĩa là khi ở cùng 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

- Chưng cất và cô đặc khá giống nhau, tuy nhiên sự khác nhau căn bản nhấtcủa 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 lệkhác 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 gốm cấu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt độ sôi thấp)

• Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi nhỏ (nhiệt độ sôi cao)

- 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

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

Trang 7

- 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 lý làm việc:

- Cấp nhiệt ở đáy tháp

• Cấp nhiệt trực tiếp

• Cấp nhiệt gián tiếp

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 lưu chất này vào lưu chất kia Nếu pha khí phân tán vàopha lỏng ta có các loại tháp mâm, nếu pha lỏng phân tán vào pha khí ta có tháp đệm, tháp phun…Ở đây ta tìm hiểu 2 loại tháp thường dùng là tháp mâm và tháp đệm

3.1. Tháp chưng cất dùng mâm xuyên lỗ

Ưu điểm: chế tạo đơn giản, vệ sinh dễ dàng, trở lực thấp hơn tháp chóp, ít

tốn kém kim loại hơn tháp chóp

Nhược điểm: yêu cầu phải lắp đặt cao, mâm phải phẳng, đối với tháp có

đường kính quá lớn (>2,4m) ít dùng mâm xuyên lỗ vì khi đó chất lỏng phân bốkhông đều trên mâm

Trang 8

3.2. Tháp chóp

Ưu điểm: hiệu suất truyền khối cao,

ổn định, ít tốn năng lượng hơn nên có số

mâm ít hơn

Nhược điểm: chế tạo phức tạp, trở

lực lớn

Hình 1.2: Cấu tạo tháp mâm chóp

1 Ống hơi , 2 Ống chảy truyền

3 Chóp , 4 Thân tháp, 5 Tấm ngăn

3.3. Tháp đệm

Ưu điểm: chế tạo đơn giản, trở lực thấp

Trang 9

Nhược điểm: hiệu suất thấp, kém ổn định do sự phân bố các pha theo tiết

diện không đều, sử dụng tháp đệm không cho phép ta kiểm soát quá trình chưng cấttheo không gian tháp trong khi đó ở tháp mâm thì quá trình thể hiện qua từng mâmmột cách rõ ràng

Vậy qua phân tích trên ta sử dụng tháp mâm chóp để chưng cất hệ Benzen-Toluen

ở áp suất thường bằng phương pháp chưng cất liên tục

Hình1.3: Cấu tạo tháp đệm

1- Lớp đệm; 2-Sàng phân bố; 3- Phân bố chất

lỏng; 4- Chóp định hướngI-Nguyên liệu; II- Nạp hồi lưu; III- Cửa ra sảnphẩm hơi; IV- cửa ra sản phẩm lỏng

Trang 10

II. Giới thiệu về nguyên liệu

1. Benzen

- Tính chất vật lý:

• Benzen là một hợp chất vòng, ở dạng lỏng không màu và có mùi thơm nhẹ, công thức phân tử là C6H6, khối lượng phân tử là 78,11

• Tỷ trọng của benzen ở 200C là 0,879

• Benzen có nhiệt độ sôi là 800C và nhiệt độ nóng chảy là 5,50C

• 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 vượt quá 1ppm cũng có thể gây bệnh bạch cầu nên ngày nay benzen được sử dụng hạn chế hơn

- Các phương thức điều chế:

• Đi từ nguồn thiên nhiên: Thông thường các hydrocacbon ít được điều chế trong phòng thí nghiệm vì có thể thu được lượng lớn bằng phương pháp chưng cất than đá, dầu mỏ…

• Đóng vòng và dehydro hóa alkan

• Các alkan có thể đóng vòng và dehydro hóa tạo thành hydrocacbon thơm ở nhiệt độ cao khi có mặt xúc tác là Cr2O3 hoặc các kim loại chuyển tiếp như Pd, Pt…

CH3(CH2)4CH3 → C6H6

Các alkan có thể bị dehydro hóa ở nhiệt độ cao với sự có mặt của xúc tác kim loại chuyển tiếp tạo thành benzen hay các dẫn xuất của nó C6H12 → C6H6

- Tính chất vật lý:

• Toluen là một hợp chất mạch vòng, ở dạng lỏng và có tính thơm, công thức phân tử C6H5CH3, khối lượng phân tử 92,13

Trang 11

• Tỷ trọng của toluen ở 200C là 0,866.

• Toluen có nhiệt độ sôi 1110C và nhiệt độ nóng chảy -950C

• Toluen 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

- 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 ankylhalide với sự có mặt của xúc tác AlCl3)

C6H6 + CH3Cl → C6H5-CH3

Trang 12

CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

I. Chú thích

1 Bồn chứa nguyên liệu

2 Bơm

3 Bơm dự phòng

4 Bồn cao vị

5 Thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu

6 Bẫy hơi

7 Tháp chưng cất

8 Nhiệt kế

9 Áp kế

10 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh

11 Bộ phận chỉnh dòng

12 Lưu lượng kế

13 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh

14 Thiết bị đun sôi đáy tháp

15 Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy

16 Bồn chứa sản phẩm đáy

17 Bồn chứa sản phẩm đỉnh

II. Thuyết minh quy trình công nghệ

Hỗn hợp benzen – toluen có nồng độ benzen là 35% (theo khối lượng), nhiệt độ nguyên liệu lúc đầu là 30oC tại bình chứa nguyên liệu (1), được bơm (2,3) bơm lên bồn cao vị (4) Dòng nhập liệu được gia nhiệt tới nhiệt độ sôi trong thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu (5) Sau đó hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất (7) ở đĩa nhập liệu và bắt đầu quá trình chưng cất Lưu lượng dòng nhập liệu được kiểm soátqua lưu lượng kế (12)

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 tiếpxúc và trao đổi giữa hai pha với nhau Pha lỏng chuyển động trong phần chưng, càng xuống phía dưới nồng độ các cấu tử dễ bay hơi càng giảm vì đã bị pha hơi tạo nên từ thiết bị đun sôi đáy tháp (14) lôi cuốn bay lên 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

Trang 13

sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử benzen chiếm nhiều nhất Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ (10) được ngưng tụ hoàn toàn Một phần chất lỏng ngưng tụ đi qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (13), rồi đượcđưa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh (17) 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 (12) Cuối cùng ở đáy tháp ta thu được dung dịch lỏng hầu hết làcấu tử khó bay hơi (toluen) Dung dịch lỏng này 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 tụclàm việc, phần còn lại ra khỏi nồi đun được cho qua thiết bị làm nguội sản phẩm đáy (15) sau đó 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

Các thông số ban đầu:

 Chọn loại tháp là tháp mâm chóp Thiết bị hoạt động liên tục

 Khi chưng luyện hỗn hợp Benzen –Toluen thì cấu tử dễ bay hơi là benzen

CH H C Toluen

mol g M

H C Benzen

T

B

/ 92 :

/ 78 :

3 5 6 6 6

Trang 14

• Năng suất theo nhập liệu: F = 5,5kg/s = 19800 kg/h

• Nồng độ nhập liệu: F = 35% ( kg benzen / kg hỗn hợp)

• Nồng độ sản phẩm đỉnh: P = 98% ( kg benzen / kg hỗn hợp)

• Nồng độ sản phẩm đáy: W = 1,7% ( kg benzen / kg hỗn hợp)

• Nhiệt độ nhập liệu: nhập liệu ở trạng thái lỏng sôi

• Quá trình làm việc trong thiết bị ở áp suất thường

• Nhiệt độ nhập liệu: tF = 300C

• Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội: tD = 350C

• Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt: tW = 350C

 Các kí hiệu:

• GF, GP, GW: lượng nguyên liệu đầu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy ( kg/h)

• F,P, W: Phần khối lượng của benzen ở hỗn hợp đầu, đỉnh và đáy (kg Benzen/kg hỗn hợp)

• xF, xP, xW: Phần mol của benzen trong pha lỏng ở hỗn hợp đầu, đỉnh vàđáy ( mol Benzen/mol hỗn hợp)

• yF, yP, yW: Phần mol của benzen trong pha hơi ở hỗn hợp đầu, đỉnh và đáy ( mol Benzen/mol hỗn hợp)

I. Xác định lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy thu được

- Phương trình cân bằng vật chất cho toàn tháp:

GF = GP + GW (1)

- Phương trình cân bằng vật chất đối với cấu tử dễ bay hơi ( Benzen)

GF.F = GP.P + GW.W (2)

Từ (1) và (2) ta thu được:

- Lượng sản phẩm đỉnh: GP = 6846,7 kg/h

- Lượng dòng sản phẩm đáy: GW = 12953,3 kg/h

 Biểu diễn nồng độ các dòng nhập liệu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy theo phần mol

• Nồng độ phần mol của nhập liệu (xF):

xF = = = 0,3884 ( mol Benzen / mol hỗn hợp)

Trang 15

• Nồng độ phần mol của sản phẩm đỉnh ( xD ):

xD = = = 0,983 ( mol Benzen / mol hỗn hợp)

• Nồng độ phần mol của sản phẩm đáy ( xW ):

xW = = = 0,02 ( mol Benzen / mol hỗn hợp)

Trang 16

Bảng3.1: Thành phần cân bằng lỏng (x), hơi (y) tính theo % mol và nhiệt độ sôi

của hỗn hợp 2 cấu tử Benzen – Toluen ở 760mmHg.

Trang 17

Bảng 3.2: Thành phần Benzen – Toluen trong hỗn hợp

II. Xác định chỉ số hồn lưu thích hợp

1. Xác định chỉ số hồn lưu tối thiểu (R min )

- 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 và bơm…) là tối thiểu

Rmin = [1,158]

= 1,726

Trong đó: là nờng đợ cân bằng ứng với xF

- Tỷ sớ hời lưu làm việc: thường được xác định qua tỷ sớ hời lưu tới thiểu

R = 1,3Rmin +0,3 [1,159]

=1,3.1,726 + 0.3 = 2,544

- 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 diệntích tiết diện tháp tỉ lệ với lượng hơi, lượng hơi này lại tỉ lệ với lượng hoàn lưu hay

S tỉ lệ với R Chiều cao tháp tỉ lệ với sớ đĩa lý thuyết N Vậy thể tích tháp tỉ lệ với

Trang 18

giá trị Nlt.(R+1) Lần lượt cho các giá trị R và tìm thể tích tháp, ứng với giá trị nàonhỏ nhất của thể tích tháp thì R đó là chỉ số hoàn lưu tối ưu.

Bảng 3.3 Quan hệ giữa chỉ số hồi lưu thích hợp với N lt

Hình 3.2 Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa N và N(R+1)

Theo đồ thị trên ta chọn giá trị chỉ số hồi lưu thích hợp R = 2,48

2. Phương trình đường làm việc

Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn luyện:

Trang 19

Dựng đường làm việc của tháp bao gồm đường làm việc của phần cất và phầnchưng Trên đồ thị y=f(x) ta lần lượt vẽ các đường bậc thang từ đó xác định đượcsố mâm lý thuyết Theo hình 3.3 thì ta có số mâm lý thuyết là 15 mâm.

Hình 3.3: Đồ thị xác định số mâm lý thuyết chưng cất hệ Benzen – Toluen tại

P=760 mmHg

4. Xác định số mâm thực tế

- Từ số liệu ở [3,92] và thực hiện phép nội suy ta xác định được độ nhớt của Benzen và Toluen ở nhiệt độ và nồng độ tương ứng:

Bảng 3.4: Độ nhớt của hỗn hợp benzen-toluen

y

x

Trang 20

Độ nhớt ( cP) Đỉnh tháp Giữa tháp Đáy tháp

x1, x2 : là nồng độ mol của Benzen và Toluen

1, 2 : là độ nhớt động lực của Benzen và Toluen

Độ nhớt sản phẩm đỉnh:

Độ nhớt sản phẩm đáy:

lg.W = xW.1W + x2.2W

= 0,02 lgB + (1- 0,02) lgT

Trang 21

: Số mâm lý thuyết

: Hiệu suất trung bình của thiết bị

= [1,171]

Với ,,, : Hiệu suất của các bậc thay đổi nồng độ

n : Số mâm tính hiệu suất

Trang 22

 Hiệu suất trung bình là hàm số của độ bay hơi tương đối của hỗn hợp và độ nhớt của hỗn hợp lỏng = f(α.µ)

Số mâm đoạn chưng : 13 mâm

Số mâm đoạn cất: 14 mâm

Số mâm nhập liệu: 1 mâm

5. Chiều cao thân tháp

H = (Nt1 ).h Nt+ 0,8Chọn: - )

- khoảng cách giữa các mâm: h = 0,6( m)

Do đó: H = (28 1).0,6 + 28.0,004 + 0,8 = 17,112 (m)

CHƯƠNG 4 : TÍNH TOÁN – THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT

I. Đường kính của tháp chưng cất

Dt = = 0,0188 (m)

Trong đó:

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

Trang 23

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, đường kính của đoạn chưng và đoạn cất cũng khác nhau

1. Đường kính đoạn cất

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn cất:

gtb =

Trong đó: gtb ( Gy ): Lượng hơi trung bình đi trong đoạn cất, kg/h

gl: Lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp, kg/h

gd: Lượng hơi di vào đĩa dưới cùng của tháp, kg/h

- Xác định gd : gd = GP.(R+1) =6846,7.(2,416+1)=23388,3272 (kg/h)

- Xác định g1: Từ hệ phương trình:

( IV.1) Với: G1 : Lượng lỏng ở đĩa thứ nhất ở đoạn cất

r1 : Ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn cất

rd : Ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi ra ở đỉnh tháp

 Tính r1

• t1 = tF = 95,5940C [2,254]

• Ẩn nhiệt hóa hơi của Benzen: rB1 = 382,134 kJ/kg

• Ẩn nhiệt hóa hơi của Toluen: rT1 = 370,652 kJ/kg

• Suy ra: r1 = rB1.y1 + (1-y1).rT1 = 382,134.y1 + (1-y1).370,652 = 370,652+11,482.y1 (kJ/kg)

 Tính rd

• tP = 80,5570C

• Ẩn nhiệt hóa hơi của Benzen: rBp = 393,151 kJ/kg

Ẩn nhiệt hóa hơi của Toluen: r = 378,207 kJ/kg

Trang 24

Suy ra: rd = rBp.yp + (1-yp).rTp = 393,151.0,993 + (1

Ta có x1 = = 0,35 ( theo phần khối lượng)

Giải hệ (IV.1) ta được:

Vậy lượng hơi trung bình đi trong đoạn cất là:

gtb = 23895,468 kg/h

2. Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp ở đoạn cất

Vận tốc hơi đi trong tháp ở đoạn cất:

= 0,065 []

Trong đó: xtb : Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng, kg/m3

ytb : Khối lượng riêng trung bình của pha hơi, kg/m3

h: Khoảng cách mâm ( chọn h = 0,6m)

.[]: Hệ số tính đến sức căng bề mặt

 tính

ytb

ytb =

Với: Nồng độ phần mol trung bình: ytb = = 0,76

Nhiệt độ trung bình của đoạn cất: ttb = = 88,08

Trang 25

Suy ra: ytb = 2,75 (kg/m2)

 Tính xtb :

Nồng độ phần mol trung bình: xtb = = = 0,6857

Suy ra = = = 0,65 (phần khối lượng)

Nhiệt độ trung bình của đoạn cất: ttb = 88,080C

Tra bảng I.2 trang 9 STTB tập 1 ta có

Khối lượng riêng của Benzen: )

Khối lượng riêng của Toluen : )

Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng

Trang 26

Vậy đường kính đoạn cất:

Dt = 0,0188 =0,0188 = 2,114 m

Vận tốc hơi trung bình đi trong đoạn cất:

= = = 0,69 ( m/s )

3. Đường kính đoạn chưng

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng là:

=

Trong đó: : Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng, kg/h

: Lượng hơi đi ra khỏi, kg/h

= Lượng hơi đi vào đoạn chưng, kg/h

: Lượng lỏng ở đĩa thứ nhất đoạn chưng

: Ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng

 Tính : xW = 0,02

Tra đồ thị cân bằng của hệ ta có yW = 0,047

Tra bảng I.212 trang 254 STTB tập 1 ta có: = tW = 109,68

Trang 27

Ẩn nhiệt hóa hơi của Benzen: rB1 = 370,9 kJ/Kg

Ẩn nhiệt hóa hơi của Toluen: rT1 = 362,46 kJ/Kg

Giải hệ (IV.2), ta được:

Với lượng hơi trung bình đi qua đoạn chưng là:

= 24868,04 (kg/h)

4. Tộc độ hơi trung bình đi trong tháp ở đoạn chưng

Tốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp mâm chóp có ống chảy chuyền:

= 0,065.[]

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)

h: Khoảng cách mâm ( chọn h = 0,6m)

[]: Hệ số tính đến sức căng bề mặt

Trang 28

 Xác định :

=

Với: + Nồng độ phần mol trung bình :

+ Nhiệt độ trung bình đoạn chưng:

Nhiệt độ trung bình đoạn cất: = 102,637

Tra bảng I.2 trang 9 STTB 1 ta có:

• Khối lượng riêng của Benzen: 789,8 kg/m3

• Khối lượng riêng của Toluen: 785,1 kg/m3

• Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng:

Trang 29

Từ đó ta có:

=

 = 9,4.10-3 N/m = 9,4 dym/cmVì = 9,4 dym/cm < 20 nên [] = 0,8 [1,184]

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

lớn nên ta chọn đường kính của toàn tháp là : Dt = 2,2 (m)

Khi đó tốc độ làm việc thực ở :

+ Phần cất : lv = = 0,634 m/s

+ Phần chưng :lv = = 0,637 m/s

II. Tính toán chóp và ống chảy chuyền

1. Tính toán chóp:

- Đường kính ống hơi của chóp thường chọn: 50:75:100:125:150 mm

ta chọn đường kính ống hơi là dh = 100mm [1,236]

- Số chóp phân bố trên 1 đĩa:

n = 0,1 = 0,1 = 48,4 chóp [1,212]

Trang 30

chọn số chóp trên ống dẫn là : 49 chóp/đĩa

- Chiều cao chóp phía trên ống dẫn hơi

Vậy chọn thiết kế 146 (mm)

- Khoảng cách từ mặt đĩa đến chân chóp:

Trang 31

• y =

• Vy : lưu lượng hơi đi trong tháp

• : Hệ số trở lực của đĩa chóp = 1,52 chọn = 2

• , : Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha hơi

Với c là khoảng cách giữa các khe ( c = 3 ), Chọn c = 4 (mm)

Chọn số khe i = 42 khe

- Chiều rộng khe hở của mỗi chóp:

i(c + a) = dch

=> a = = 6,9 (mm)

Chọn a = 7 (mm)

- Kích thước ống chảy chuyền:

Chọn số ống chảy chuyền z = 1 ống

Đường kính ống chảy chuyền:

dc = Với:

• Tốc độ chất lỏng chảy trong ống chảy chuyền: wc = 0,2 m/s

• Lưu lượng lỏng trung bình đi trong tháp: Gx (kg/h)

Lượng lỏng trung bình trong phần luyện:

 Lượng lỏng ở đĩa thứ nhất đoạn cất: G1 =18178,264 (kg/h)

Trang 32

 Lượng lỏng hoàn lưu: Gh = Rth.GP = 2,48.6846,7= 16979,816(kg/h)

Bề dày ống chảy chuyền = 2 , chọn = 0,004m

l1 = 75mm là khoảng cách nhỏ nhất giữa chóp là ống chảy chuyền thường dùng

Trang 33

=

Trong đó:

• =

• : lưu lượng hơi đi trong tháp

• : Hệ số trở lực của đĩa chóp = 1,52 chọn = 2

• Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha hơi

= = = 8725,63 (m3/h) = = = 6,3 (m/s)

- Kích thước ống chảy chuyền:

Chọn số ống chảy chuyền z = 1 ống

Đường kính ống chảy chuyền:

=

Lượng lỏng trung bình trong phần chưng:

 Lượng sản phẩm đáy: GW = 12953,3 kg/h

 Lượng lỏng mâm nhập liệu: G = G ’ + G

Trang 34

G2 = 38286,814 + 19800 = 58086,814 kg/h

 = = 35520,057 (kg/h) = = 0,283 m

- Khoảng cách từ đĩa đến ống chảy chuyền

= 0,25 = 0,071 (m)

- Khoảng cách từ tâm ống chảy chuyền đến tâm chóp gần nhất:

= + + + + l1

Bề dày ống chảy chuyền = 2 , chọn = 0,004m

l1 = 75mm là khoảng cách nhỏ nhất giữa chóp là ống chảy chuyền thường dùng = + 0,004 + + 0,003 + 0,075 = 0,2965 m = 296,5 mm

- Chiều cao ống chảy chuyền trên đĩa:

Trang 35

• Chiều rộng của ống chảy chuyền

dW = 0,08.Dt = 0,08.2,2 = 0,176 (m)

• Diện tích của ống chảy chuyền

Sd = 0,04.F = 0,04 () = 0,04.() = 0,152(m2)

Với F là tiết diện của tháp

- Khoảng cách giữa 2 gờ chảy tràn

l = Dt – 2dW = 2,2 – 2.0,176 = 1,848 (m)

- Diện tích giữa 2 gờ chảy tràn

A = F - 2Sd = 3,8 – 2.0,152 = 3,496 (m2)

Bm = = = 1,892(m)

III. Tính toán chi tiết ống dẫn

1. Đường kính ống dẫn hơi vào thiết bị ngưng tụ

d = Với Qy là lưu lượng hơi đi ra khỏi đỉnh tháp

Qy = = = 2,4(m3/s)Vận tốc hơi đi qua ống: chọn v = 25m/s

d = = 0,349 (m) = 349 (mm)Chọn giá trị d = 350 mm

2. Đường kính ống chảy hoàn lưu

d =

Với Qhl là lưu lượng dòng hoàn lưu

Ghl = GP R = 6846,7 2,48 = 16979,816 (kg/h)

Trang 36

Đường kính ống nhập liệu: dF = = 0,121 (m) = 121 (mm)

Chọn đường kính ống nhập liệu d = 125 mm

Tài liệu tham khảo [1,434], chọn chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích: lF =

Trang 37

Vận tốc đi qua ống: v = 1m/s

d = = 0,077 (m) = 77(mm)

Suy ra: chọn đường kính ống dẫn hơi: d = 80 (m)

Tài liệu tham khảo [1,434], chọn chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích:

Suy ra: chọn đường kính ống dẫn hơi: d = 370 (m)

Tài liệu tham khảo [1,434], chọn chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích: lhd

= 150 (mm)

IV. Tính trở lực của tháp

Trở lực của tháp được xác đinh theo công thức

P = Ntt Pd

Trong đó:

• Ntt : Số mâm thực tế

• Pd : Tổng trở lực qua một mâm

1. Tổng trở lực phần cất

Pd = Pk + Ps + Pt

- Trở lực đĩa khô Pk

Pk = ytb

Trang 38

• : Sức căng bề mặt trung bình của hỗn hợp, N/m

• td: Đường kính tương đương của khe rãnh chóp, m

rãnh chóp mở hoàn toàn thì: dtd =

Với fx là diện tích tiết diện tự do của rãnh

Trang 39

Trong đó:

• b: Khối lượng riêng của bọt, Kg/m3

• g: Gia tốc trọng trường, m/s2

• hb: Chiều cao của lớp bọt trên đĩa, m

• b: Chiều cao khe chóp, m

+ Khối lượng riêng của bọt: b = 0,5 xtb = 0,5.805,64 = 402,82Kg/m3

+ Chiều cao của lớp bọt trên đĩa

hb =

Với:

 hb: Chiều cao ống chảy chuyền nhô lên trên đĩa

 hx: hx = S + 0,5 = 0,025 + 0,5.0,027 = 0,0385 (m)

 F0: Phần diện tích bề mặt đĩa có ghép chóp

(Trừ hai phần diện tích đĩa bố trí trên ống chảy chuyền)

Trang 40

• : Sức căng bề mặt trung bình của hỗn hợp, N/m

• td: Đường kính tương đương của khe rãnh chóp, m

rãnh chóp mở hoàn toàn thì: dtd =

Với fx là diện tích tiết diện tự do của rãnh

fx = = 0,006 0,029 = 1,74.10-4 m2

Định dạng
Số trang	97
Dung lượng	646,67 KB

THIẾT kế THÁP CHƯNG LUYỆN BENZEN TOLUEN với NĂNG SUẤT NHẬP LIỆU 5 5 KG TRÊN s

Tính bề dày thân trụ của tháp

CHƯƠNG 6: CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG