Thiết kế tháp mâm chóp chưng cất hỗn hợp benzen toluen năng suất 5,5kgs

- Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu được bấy nhiêu sản phẩm.. Phương pháp chưng cất - Các phương pháp chưng cất được phân loại theo

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA-VŨNG TÀU

KHOA HÓA HỌC VÀ CNTP ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

1 Nhiệm vụ đồ án

Thiết kế tháp mâm chóp chưng cất hỗn hợp Benzen-Toluen

năng suất 5,5kg/s

 Thông số ban đầu:

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

- Nồng độ nhập liệu:´xF =35% ( kg benzen / kg hỗn hợp)

- Nồng độ sản phẩm đỉnh:´xP = 98% ( kg benzen / kg hỗn hợp)

- Nồng độ sản phẩm đáy:´xW = 1,7% ( kg benzen / kg hỗn hợp)

- Nhiệt độ nhập liệu: tF=300C

2 Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Văn Thông

3 Nhóm sinh viên thực hiện:

- Lê Thị Thúy An

- Phạm Trường Ân

- Hoàng Tuấn Anh

Lớp DH11H2

4 Thời gian làm đồ án:

- Ngày nhận đồ án: 27/2/2014

- Ngày hoàn thành đồ án:

Vũng Tàu, ngày…tháng…năm 2014

Xác nhận của giáo viên hướng dẫn

Trang 2

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

1 Thái độ, tác phong khi làm đồ án:

………

2 Đánh giá kết quả: ………

………

Vũng Tàu, ngày…tháng…năm 2014 Giáo viên hướng dẫn

LỜI CẢM ƠN

Trang 3

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 4

MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT 11

I Lý thuyết về chưng cất 11

1 Khái niệm 11

2 Phương pháp chưng cất 11

3 Thiết bị chưng cất 12

3.1 Tháp chưng cất dùng mâm xuyên lỗ 12

3.2 Tháp chóp 13

3.1 Tháp đệm 14

II Giới thiệu về nguyên liệu 15

1 Benzen 15

2 Toluen 16

CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 17

I Chú thích 17

II Thuyết minh quy trình công nghệ 17

CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT 19

I Xác định lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy thu được 20

II Xác định chỉ số hoàn lưu thích hợp 22

1 Xác định chỉ số hoàn lưu tối thiểu (Rmin) 22

2 Phương trình đường làm việc 24

4 Xác định số mâm thực tế 25

I Đường kính của tháp chưng cất 29

1 Đường kính đoạn cất 29

2 Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp ở đoạn cất 31

3 Đường kính đoạn chưng 33

4 Tộc độ hơi trung bình đi trong tháp ở đoạn chưng 35

II Tính toán chóp và ống chảy chuyền 37

1 Tính toán chóp: 37

2 Tính toán các thông số của chóp và ống chảy chuyền cho từng đoạn 39

2.1 Tính cho phần cất 39

2.2 Tính cho phần chưng 41

III Tính toán chi tiết ống dẫn 45

1 Đường kính ống dẫn hơi vào thiết bị ngưng tụ 45

2 Đường kính ống chảy hoàn lưu 45

3 Đường kính ống nhập liệu 46

4 Đường kính ống dẫn sản phẩm đáy 46

5 Đường kính ống hồi lưu hơi sản phẩm đáy 47

Trang 5

IV Tính trở lực của tháp 48

1 Tổng trở lực phần cất 48

2 Tổng trở lực phần chưng 51

CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN CƠ KHÍ 55

I Tính bề dày thân trụ của tháp 55

II Tính – Chọn bề dày đáy và nắp thiết bị 58

III Chọn bích và vòng đệm 60

1 Chọn bích 60

2 Bích để nối các ống dẫn 61

IV Tính sơ bộ khối lượng tháp 63

CHƯƠNG 6: CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG 68

I Cân bằng nhiệt lượng tháp chưng cất 68

II Cân bằng nhiệt lượng thiết bị đun sôi dòng nhập liệu 70

III Cân bằng nhiệt lượng thiết bị ngưng tụ 72

IV Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm nguội sản phẩm đáy 73

V Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh 74

CHƯƠNG 7: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ 76

I THIẾT BỊ ĐUN SÔI DÒNG NHẬP LIỆU 76

1 Hệ số nhiệt trung bình: 76

2 Hệ số truyền nhiệt: 77

3 Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu 77

4 Bề mặt truyền nhiệt 82

5 Cấu tạo thiết bị 82

II THIẾT BỊ NGƯNG TỤ SẢN PHẨM ĐỈNH 83

1 Hiệu số nhiệt độ trung bình 83

III THIẾT BỊ LÀM NGUỘI SẢN PHẨM ĐỈNH 89

1 Hiệu số nhiệt độ trung bình: 90

IV THIẾT BỊ LÀM NGUỘI SẢN PHẨM ĐÁY 97

1 Hiệu số nhiệt độ trung bình 98

2 Hệ số truyền nhiệt 98

Trang 6

V THIẾT BỊ GIA NHIỆT SẢN PHẨM ĐÁY 103

1 Hệ số nhiệt trung bình: 103

VI BỒN CAO VỊ 108

1 Tổn thất đường ống dẫn 108

2 Tổn thất đường ống trong thiết bị đun sôi dòng nhập liệu 111

2.1 Xác định vận tốc dòng nhập liệu trong ống dẫn 111

2.2 Xác định hệ số ma sát trong đường ống 112

3 Chiều cao bồn cao vị 113

VII BƠM 114

1 Năng suất 114

2 Cột áp 115

2.1 Tính tổng trở lực trong ống 115

2.2 Tính cột áp của bơm: 118

3 Công suất 118

Trang 7

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 8

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 9

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 10

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:

Trang 11

 Áp suất làm việc

 Áp suất thấp

 Áp suất thường

 Áp suất cao

- Nguyên tắc làm việc: Dựa vào nhiệt độ sôi của các cấu tử, nếu nhiệt độ sôi của các cấu tử quá cao thì ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi của các cấu tử

- Nguyên lý làm việc:

 Chưng một bậc

 Chưng lôi cuốn theo hơi nước

 Chưng cất

- Cấp nhiệt ở đáy tháp

 Cấp nhiệt trực tiếp

 Cấp nhiệt gián tiếp

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

Trang 12

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

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

3.1 Tháp đệm

Trang 13

Ưu điểm: chế tạo đơn giản, trở lực thấp

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 Toluen ở áp suất thường bằng phương pháp chưng cất liên tục.

Benzen-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 14

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 hydrocacbonthơm ở nhiệt độ cao khi có mặt xúc tác là Cr2O3 hoặc các kim loại chuyển tiếp như Pd, Pt…

CH3(CH2)4CH3 → C6H6

 Dehydro hóa các cycloalkaneCác 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

 Đi từ acetylen

Trang 15

Đun acetylen với sự có mặt của xúc tác là than hoạt tính hay phức của niken như Ni(CO)[(C6H5)P] thu được benzen

 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 16

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

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)

Trang 17

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 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

Trang 18

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

 H n h pỗn hợp ợp : { Benzen : C6H6⇒M B=78 g/mol

Toluen : C6H5CH 3⇒M T=92 g /mol

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

 Nồng độ nhập liệu: ´xF = 35% ( kg benzen / kg hỗn hợp)

 Nồng độ sản phẩm đỉnh: ´xP = 98% ( kg benzen / kg hỗn hợp)

 Nồng độ sản phẩm đáy: ´xW = 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

 Chọn:

 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

Trang 19

- Phương trình cân bằng vật chất cho toàn tháp:

- 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):

78 +

1−0,35 92

= 0,3884 ( mol Benzen / mol hỗn hợp)

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

xD =

´

x D MB

78 +

1−0,98 92

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

78 +

1−0,017 92

Trang 20

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.

0,619

0,712

0,79

0,854

0,91

Hình 3.1: Đồ thị cân bằng pha của hỗn hợp Benzen – Toluen tại P = 760 mmHg Bảng 3.2: Thành phần Benzen – Toluen trong hỗn hợp

Nhiệt độ sôi (0C) Thành phần của Benzen trong hỗn hợp

% Khối lượng Phần mol x Phần mol y

Trang 21

tF =95,594 ´x F = 0,35 x F = 0,3884 y F =0,6065

tW =109,68 ´x W = 0,017 x W = 0,02 y W =0,047

II Xác định chỉ sớ hồn lưu thích hợp

1 Xác định chỉ sớ hồn lưu tới 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

là nờng độ 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 Nlt Vậy thể tích tháp tỉ lệ với

Trang 22

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:

y = R +1 R x+ 1

R+1 x P [1,144]

Trang 23

 y = 2,48+12,48 x +2,48+10,983 = 0,713x +0,282Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng:

3 Xác định số mâm lý thuyết:

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

Trang 24

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

 Độ nhớt hỗn hợp được tính theo công thức:

lgµhh = x1.µ1 + x2.µ2 [3,84]

Trang 25

Trong đó:

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

µ1, µ2 : là độ nhớt động lực của Benzen và Toluen

Trang 26

Độ bay hơi tương đối của sản phẩm đỉnh:

N¿: Số mâm lý thuyết

ƞ tb : Hiệu suất trung bình của thiết bị

ƞ tb = ƞ1 +ƞ2+ƞ3+ +ƞn

n [1,171]

Với ƞ2,ƞ2,ƞ3,ƞ n : Hiệu suất của các bậc thay đổi nồng độ

n : Số mâm tính hiệu suất

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

Ta có: αP.µ)P = 2,4533.0,3412=0,837

α µ) = 2,427.0,2767=0,672

Trang 27

Số mâm đoạn chưng : 13 mâm

Số mâm đoạn cất: 14 mâm

Số mâm nhập liệu: 1 mâm

5 Chiều cao thân tháp

H = (Nt − ¿1 ).h− ¿ Nt⋅δ+ 0,8Chọn: - chiều dày mâm: δ=4¿)

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

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

Trang 28

CHƯƠNG 4 : TÍNH TOÁN – THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT

I Đường kính của tháp chưng cất

Dt = √ 4 V tb

π 3600 ω tb = 0,0188√ g tb

(ρ y ω y)tb (m)

Trong đó:

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

ωtb : 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 = g d+g1

2

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

Trang 29

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: rTp = 378,207 kJ/kg

Suy ra: rd = rBp.yp + (1-yp).rTp = 393,151.0,993 + (1−0,993 ¿ 378,207

¿393,046(kJ / kg)

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

Giải hệ (IV.1) ta được:

Trang 30

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

Vận tốc hơi đi trong tháp ở đoạn cất:

¿ = 0,065.φ.[σ]√h ρxtb ρytb

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

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

h: Khoảng cách mâm ( chọn h = 0,6m)

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

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

Trang 31

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

Khối lượng riêng của Benzen: ρ B=807,63 ¿ )

Khối lượng riêng của Toluen : ρ T=801,3 ¿ )

Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng

ω y = ¿ ¿ = 1,892,75 = 0,69 ( m/s )

Trang 32

3 Đường kính đoạn chưng

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng là:

gtb

' = gn '+g1'

2

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

gn' : Lượng hơi đi ra khỏi, kg/h

g1

'= Lượng hơi đi vào đoạn chưng, kg/h

- Xác định gn

' : gn ' = g1 = 24402,564 kg/h

G1' : Lượng lỏng ở đĩa thứ nhất đoạn chưng

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

 Tính r1' : 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: t1

' = tW = 109,68℃

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

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

Trang 33

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:

¿ = 0,065φ'.[σ]√h ρ xtb ' ρ ' ytb

Với : '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)

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

Trang 34

 Xác định ρ' ytb:

Nhiệt độ trung bình đoạn cất: t tb ' = 102,637℃

Tra bảng I.2 trang 9 STTB 1 ta có:

 Khối lượng riêng của Benzen: ρ B= ¿789,8 kg/m3

 Khối lượng riêng của Toluen: ρ T= ¿785,1 kg/m3

 Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng:

ρ1

xtb ' =x tb '

Trang 35

ωy = ¿ ¿ = 2,851,9 = 0,67 m/s

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 :

Trang 36

- 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. D t

2

d h2 = 0,1.2,22

0,12 = 48,4 chóp [1,212]

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 37

 Vy : lưu lượng hơi đi trong tháp

 ξ: Hệ số trở lực của đĩa chóp ξ = 1,5÷2 chọn ξ = 2

 ρ xtb, ρ ytb: Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha hơi

- Số khe hở của mỗi chóp:

i = π

c(d ch− d h2

4 b)=3,144 ¿) = 41,9 khe

Trang 38

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

Chọn số khe i = 42 khe

- Chiều rộng khe hở của mỗi chóp:

i(c + a) = π dch

=> a = π d ch

i – c = 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:

 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)

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

Trang 39

Bề dày ống chảy chuyền δ c = 2 ÷ 4 , chọn δ c = 0,004m

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

Trang 40

 ω ' y = 4 V ' y

3600 π d h2 n

 V ' y : lưu lượng hơi đi trong tháp

 ξ: Hệ số trở lực của đĩa chóp ξ = 1,5÷2 chọn ξ = 2

 ρxtb ' , ρ ' ytbKhối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha hơi

- Kích thước ống chảy chuyền:

Chọn số ống chảy chuyền z = 1 ống

Đường kính ống chảy chuyền:

Định dạng
Số trang	113
Dung lượng	640,11 KB