tính toán chọn lựa tháp chưng cất hệ benzene – toluene có năng suất 1500kgh ở nồng độ 10% benzene

tính toán chọn lựa tháp chưng cất hệ benzene – toluene có năng suất 1500kgh ở nồng độ 10% benzene

MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU I TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT I.1 Lý thuyết chưng cất I.2 Giới thiệu nguyên liệu I.3 Sơ đồ quy trình cơng nghệ II CÂN BẰNG VẬT CHẤT 10 II.1 Các thông số ban đầu 10 II.2 Xác định suất lượng sản phẩm đỉnh sản phẩm đáy 10 III XÁC ĐỊNH SỐ ĐĨA THỰC TẾ 13 III.1 Chỉ số hồi lưu thích hợp .13 III.2 Số đĩa lý thuyết 14 III.3 Số đĩa thực tế .14 IV TÍNH TỐN THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT 16 IV.1 Đường kính tháp (Dt) 16 IV.2 Chiều cao tháp .21 V CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG 21 VI KẾT LUẬN 23 VII TÀI LIỆU THAM KHẢO 24 TRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM LỜI NĨI ĐẦU Khoa học kỹ thuật ngày phát triển song song với yêu cầu ngày cao độ tinh khiết sản phẩm Vì phương pháp nâng cao độ tinh khiết luôn cải tiến đổi để ngày hoàn thiện hơn, như: đặc, hấp thụ, chưng cất, trích ly,…Tùy theo đặc tính u cầu sản phẩm mà ta lựa chọn phương pháp phù hợp Đối với hệ benzene – toluene hai cấu tử hòa tan vào có nhiệt độ sơi khác xa nên ta chọn phương pháp chưng cất để tách cấu tử hỗn hợp thu benzene có độ tinh khiết cao Mơn học Q trình Thiết bị mơn học mang tính tổng hợp q trình học tập kỹ sư hóa tương lai Bài tập lớn môn học yêu cầu sinh viên giải nhiệm vụ tính tốn thiết bị cụ thể, kết cấu, điều kiện vận hành thiết bị sản xuất hóa chất – thực phẩm Đây bước để sinh viên vận dụng kiến thức học vào giải vấn đề kỹ thuật thực tế cách tổng quát Nhiệm vụ tập lớn tính tốn chọn lựa tháp chưng cất hệ benzene – toluene có suất 1500kg/h nồng độ 10% benzene, yêu cầu sản phẩm thu benzene có nồng độ tối thiểu 70% I.TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT I.1 Lý thuyết chưng cất NHÓM – K1 LỌC HÓA DẦU TRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM I.1.1 Khái niệm Chưng cất trình dùng để tách cấu tử hỗn hợp lỏng hỗn hợp khí lỏng thành cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay khác cấu tử hỗn hợp (khi nhiệt độ, áp suất bão hòa cấu tử khác nhau) Thay đưa vào hỗn hợp pha để tạo nên tiếp xúc hai pha trình hấp thu nhả khí q trình chưng cất pha tạo nên bốc ngưng tụ Chưng cất cô dặc giống nhau, nhiên khác hai q trình chưng cất dung mơi chất tan bay (nghĩa cấu tử diện hai pha với tỷ lệ khác nhau), cịn q trình đặc có dung mơi bay cịn chất tan khơng bay Khi chưng cất ta thu nhiều cấu tử thường có cấu tử thu nhiêu sản phẩm Nếu xét hệ đơn giản có hai cấu tử ta thu hai sản phẩm: - Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay lớn (nhiệt độ sôi nhỏ) Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay nhỏ (nhiệt độ sơi lớn) Đối với hệ benzene – toluene: - Sản phẩm đỉnh chủ yếu benzene toluene Sản phẩm đáy chủ yếu toluene benzene I.1.2 Phương pháp chưng cất Các phương pháp chưng cất phân loại theo:  Áp suất làm việc: Áp suất thấp - Áp suất thường - Áp suất cao  Nguyên tắc làm việc: Dựa vào nhiệt độ sôi cấu tử, nhiệt độ sôi cấu tử cao ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi cấu tử  Nguyên lý làm việc: - Chưng bậc - Chưng lôi theo nước - Chưng cất - NHÓM – K1 LỌC HĨA DẦU TRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM  Cấp nhiệt đáy tháp: - Cấp nhiệt trực tiếp Cấp nhiệt gián tiếp Vậy hệ benzene – toluene, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục áp suất thường I.1.3 Thiết bị chưng cất Trong sản xuất, người ta thường dùng nhiều loại thiết bị khác để tiến hành chưng cất Tuy nhiên, yêu cầu chung loại thiết bị diện tích tiếp xúc pha phải lớn Điều phụ thuộc vào mức độ phân tán lưu chất vào lưu chất Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta có loại tháp mâm, pha lỏng phân tán vào pha khí ta có tháp chêm, tháp phun, Ở ta khảo sát hai loại thường dùng tháp mâm tháp chêm  Tháp mâm: Thân tháp hình trụ, thẳng đứng, phía có gắn mâm có cấu tạo khác nhau, pha lỏng pha cho tiếp xúc với Tùy theo cấu tạo đĩa, ta có: - Tháp mâm chóp: Trên mâm bố trí có chóp dạng tròn, xupap, - Tháp mâm xuyên lỗ: Trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh  Tháp chêm (tháp đệm): Tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối với mặt bích hay hàn Vật chêm cho vào tháp theo hai phương pháp sau: Xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự Ưu điểm nhược điểm: Tháp chêm Ưu điểm Tháp mâm xuyên lỗ Tháp chóp - Cấu tạo đơn Trở lực tương đối Khá ổn định giản thấp Hiệu suất cao - Trở lực thấp Hiệu suất cao - Làm việc với chất lỏng bẩn dùng đệm cần có chất lỏng Do có hiệu ứng thành => hiệu suất truyền khối thấp Độ ổn định khơng cao, khó vận hành NHĨM – K1 LỌC HĨA DẦU Khơng làm việc Có trở lực lớn với chất lỏng Tiêu tốn nhiều vật bẩn tư, kết cấu phức tạp Kết cấu phức tạp TRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM Nhược điểm Do có hiệu ứng thành => tăng suất hiệu ứng thành tăng => khó tăng suất Thiết bị nặng nề Trong bào nhóm chọn tháp mâm chóp để chưng cất hệ benzene – toluene I.2 Giới thiệu nguyên liệu I.2.1 Benzene toluene Benzene hợp chất mạch vòng, dạng lỏng khơng màu có mùi thơm nhẹ Công thức phân tử C6H6 Benzene không phân cực, tan tốt dung mơi hữu khơng phân cực tan nước Trước người ta thường sử dụng benzene làm dung môi Tuy nhiên sau người ta phát nồng độ benzene khơng khí cần thấp khoảng ppm có khả gây bệnh bạch cầu, nên ngày benzene sử dụng hạn chế  Các tính chất vật lý benzene: - Khối lượng phân tử: 78.11(g/mol) Tỷ trọng (200C): 0.879(g/cm3 ) Nhiệt độ sơi: 800C Nhiệt độ nóng chảy: 5.50C Toluene hợp chất mạch vịng, dạng lỏng có tính thơm, cơng thức phân tử tương tự benzene có gắn thêm nhóm – CH Khơng phân cực, toluene tan tốt benzene Toluene có tính chất dung mơi tương tự benzene độc tính thấp nhiều, nên ngày thường sử dụng thay benzene làm dung mơi phịng thí nghiệm cơng nghiệp  Các tính chất vật lý toluene: - Khối lượng phân tử: 92.13(g/mol) Tỷ trọng (200C): 0.866(g/cm3 ) Nhiệt độ sơi: 1110C Nhiệt độ nóng chảy: -950C I.2.2 Hỗn hợp benzene – toluene NHÓM – K1 LỌC HÓA DẦU TRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM Ta có bảng thành phần lỏng (x) – (y) nhiệt độ sôi hỗn hợp benzene – toluene 760 mmHg X (% phần mol) 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 y (% phần mol) 11.8 21.4 38 51.1 61.9 71.2 79 85.4 91 95.9 100 Nhiệt độ (0C) 110.6 108.3 106.1 102.2 98.6 95.2 92.1 89.4 86.8 84.4 82.3 80.2 I.3 Sơ đồ quy trình cơng nghệ I.3.1 Ký hiệu quy trình Bồn chứa nguyên liệu Bơm Bồn cao vị Thiết bị đun sơi dịng nhập liệu Lưu lượng kế Nhiệt kế Tháp chưng cất Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh Áp kế 10 Thiết bị đun sôi đáy tháp 11 Bồn chứa sản phẩm đáy 12 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 13 Bồn chứa sản phẩm đỉnh I.3.2 Quy trình Hỗn hợp benzene – toluene có nồng độ benzene 10% mol, nhiệt độ nguyên liệu lúc đầu 300C bình chứa nguyên liệu (1), bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3) Dòng nhập liệu gia nhiệt tới nhiệt độ sôi thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống Sau NHĨM – K1 LỌC HĨA DẦU TRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM hỗn hợp đưa vào tháp chưng cất (7) đĩa nhập liệu bắt đầu q trình chưng cất Lưu lượng dịng nhập liệu kiểm soát qua lưu lượng kế (5) Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng trộn với phần lỏng từ đoạn luyện tháp chảy xuống Trong tháp, lên gặp lỏng từ xuống Ở có tiếp xúc trao đổi hai pha với Pha lỏng chuyển động phần chưng xuống phía giảm nồng độ cấu tử dễ bay bị pha tạo nên từ nồi đun (10) lôi cấu tử dễ bay Nhiệt độ lên thấp, nên qua đĩa từ lên cấu tử có nhiệt độ sơi cao toluene ngưng tụ lại, cuối đỉnh tháp ta thu hỗn hợp có cấu tử benzene chiếm 96% khối lượng Hơi vào thiết bị ngưng tụ (8) ngưng tụ hoàn toàn Một phần chất lỏng ngưng tụ qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (12), làm nguội thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng (12) qua bồn chứa sản phẩm đỉnh (14) Phần lại chất lỏng ngưng tụ hoàn lưu tháp đĩa với tỷ số hồn lưu thích hợp kiểm sốt lưu lượng kế Cuối đáy tháp ta thu hỗn hợp lỏng hầu hết cấu tử khó bay (toluene) Hỗn hợp lỏng đáy có nồng độ benzene 2% khối lượng, lại toluene Dung dịch lỏng đáy khỏi tháp vào nồi đun (10) Trong nồi đun, dung dịch lỏng phần bốc cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần lại khỏi nồi đun cho vào bồn chứa sản phẩm đáy (11) Hệ thống làm việc liên tục cho sản phẩm đỉnh benzene, sản phẩm đáy toluene NHÓM – K1 LỌC HÓA DẦU TRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM HÌNH Sơ đồ quy trình cơng nghệ II CÂN BẰNG VẬT CHẤT II.1 Các thông số ban đầu - Năng suất theo nhập liệu: 1500 (kg/h) Nồng độ cấu tử dễ bay nhập liệu: 10% Nồng độ cấu tử dễ bay sản phẩm đỉnh: 96% Nồng độ cấu tử dễ bay sản phẩm đáy: 2% Nguyên liệu vào hệ thống nhiệt độ sơi Q trình làm việc thiết bị áp suất thường Loại thiết bị sử dụng tháp mâm xun lỗ có ống chảy chuyền NHĨM – K1 LỌC HÓA DẦU TRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM Khối lượng phân tử benzene toluene là: MB = 78 (g/mol) MT = 92 (g/mol)  Chọn: - Nhiệt độ nhập liệu: tF = 300C - Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau làm nguội: tD = 350C - Nhiệt độ sản phẩm đáy sau trao đổi nhiệt: tW = 350C  Các ký hiệu: - GF, GD, GW : Lượng nguyên liệu đầu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy aF, aD, aW: Phần khối lượng benzene hỗn hợp đầu, đỉnh đáy xF, xD, xW: Phần mol benzene pha lỏng hỗn hợp đầu, đỉnh đáy yF, yD, yW: Phần mol benzene pha hỗn hợp đầu, đỉnh đáy II.2 Xác định suất lượng sản phẩm đỉnh sản phẩm đáy Giả sử đề cho % theo số mol Đổi % số mol sang % theo khối lượng để tính lượng sản phẩm đỉnh đáy Áp dụng công thức: = = 0,086 = = 0,664 = = 0,267 Phương trình cân vật chất cho tồn tháp: GF = GD + GWGD + GW= 1500 (1) Phương trình cân vật chất cấu tử dễ bay (benzen) GF aF = GD aD + GW aW GF 0.086 = GD 0.664 + GW 0,267 (2) NHÓM – K1 LỌC HĨA DẦU TRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM Từ (1) (2) giải được: GD = -683,88 kg/h GW = 2183,88 kg/h Đo theo đề hẳn 10% benzen nồng độ theo khối lượng Từ suy ra: GD + GW = 1500 GD 0,7 + GW 0,3 = 1500 0,1 Giải được: GD = -750 GW = 2250 Kết âm Do đó, nhóm định chọn số liệu sau: - Nồng độ theo khối lượng benzen dòng nhập liệu 10% Nồng độ theo khối lượng benzen sản phẩm đỉnh 96% Nồng độ theo khối lượng benzen sản phẩm đáy 2% Áp dụng công thức trên: GD + GW = 1500 GD 0,96 + GW 0,02 = 1500 0,1 Giải được: GD = 128 kg/h GW =1372 kg/h Bảng thành phần cân lỏng (x) – (y) tính theo % mol nhiệt độ sôi hỗn hợp benzene – toluene 760 mmHg x 0,05 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 y 0,118 0,214 0,38 0,511 0,619 0,712 0,79 0,854 0,91 0,959 1,00 t (0C) 110,6 108,3 106,1 102,2 98,6 95,2 92,1 89,4 86,8 84,4 82,3 80,2 Dựa vào bảng ta vẽ đường cân ycb = f(x) xác định phần mol y nhiệt độ sơi tương ứng NHĨM – K1 LỌC HĨA DẦU 10 TRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM Hình Đồ thị đường cân ycb = f(x)tại P= atm xF = = xp = = xW = =0,116 (kmol/kmol) =0,965(kmol/kmol) = =0,0235(kmol/kmol) Bảng1 Thành phần Benzen – Toluen hỗn hợp Nhiệt độ sôi ( C) Thành phần Benzen hỗn hợp % khối lượng Phần mol x Phần mol y tF = 105,6 aF= 0,1 xF = 0,116 yF tD =81,01 aD = 0,96 xD = 0,965 yD = 0,986 tW = 109,4 aW = 0,02 xW = 0,024 yW = 0,055 NHÓM – K1 LỌC HÓA DẦU 11 = 0,227 TRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM III XÁC ĐỊNH SỐ ĐĨA THỰC TẾ Từ đồ thị hình 1: đồ thị đường cân y cb = f(x) biểu diễn xF = 0,116, dùng phương pháp nội suy, ta có y*F = 0,227 Vậy, số hồn lưu tối thiểu: III.1 Chỉ số hồi lưu thích hợp Ta lấy giá trị Rx> Rmin đồ thị ta vẽ đường làm việc đoạn chưng đoạn luyện với tung độ khác Phương trình làm việc đoạn cất : y= Ta có: (với R = Rmin [1,1; 1,5] hệ số hồi lưu) Với giá trị thuyết tương ứng cho ta giá trị R từ xác định số đĩa lý + Với  Vậy phương trình làm việc đoạn cất : => N= 14 + Với  Vậy phương trình làm việc đoạn cất : =>N= 13 + Với  Vậy phương trình làm việc đoạn cất : =>N= 12 ,+ Với  Vậy phương trình làm việc đoạn cất : NHÓM – K1 LỌC HÓA DẦU 12 TRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM =>N= 11 + Với  Vậy phương trình làm việc đoạn cất : =>N= 10 Thiết lập quan hệ R-N(R+1) qua bảng sau 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 R 7,313 7,949 8,644 9,903 9,974 N 14 13 12 11 10 116,382 116,337 115,728 119,933 109,74 N.(R+1) Từ bảng số liệu, ta xây dựng đồ thị biểu diễn mối quan hệ R – N(R+1) Dựa vào đồ thị ta xác định Rth = 8,644 III.2 Số đĩa lý thuyết Với Rth = 8,644, dựa vào đường cân đường nồng độ làm việc, ta xác định số đĩa lý thuyết: Nlt = 12 III.3 Số đĩa thực tế Có nhiều phương pháp xác định số đĩa thực tế tháp, ngoại trừ ảnh hưởng thiết kế khí tháp ta xác định số đĩa thực tế dựa vào hiệu suất trung bình: Nt = Nlt/ntb Trong đó: Nt – số đĩa thực tế, Nlt – số đĩa lý thuyết, ntb– hiệu suất trung bình thiết bị ntb= Trong ni - hiệu suất bậc thay đổi nồng độ, n - số vị trí tính hiệu suất Trong trường hợp ta tính: ntb = Với , , - hiệu suất đĩa cùng, hiệu suất đĩa nhập liệu hiệu suất đĩa NHÓM – K1 LỌC HÓA DẦU 13 TRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM  Xác định Ta có: tD(nhiệt độ đỉnh tháp) = 81,010C, xD = 0,965 suy yD = 0,9856 sử dụng bảng sổ tay Quá trình thiết bị nội suy giá trị nht B = 0,3138ì10-3 N.s/m2, àT = 0,3168 ×10-3 N.s/m2 Độ nhớt hỗn hợp: lg µhh = xD.lgàB + (1- xD).lgàT=> àhh = 0,3139ì10-3 N.s/m2(=0,3139 cP) V độ bay tương đối:  = 2,4824 × 0,3139 = 0,779, tra sổ tay QTTB ta có  Xác định = 0,53 : Tương tự ta có: tF(nhiệt độ đĩa nhập liệu) = 105,60C, xF = 0,116 suy yF = 0,227sử dụng bảng sổ tay Quá trình thiết bị nội suy cỏc giỏ tr nht B = 0,2631ì10-3 N.s/m2, µT = 0,2728 ×10-3 N.s/m2 Độ nhớt hỗn hợp: lg µhh = xF.lg µB + (1- xF).lg µT => µhh = 0,2717×10-3 N.s/m2(=0,2717Cp) Và độ bay tương đối:  = 2,2379 × 0,2717 = 0,608, tra sổ tay QTTB ta có nF = 0,58  Xác định Tương tự ta có: tw(nhiệt độ đĩa cùng) = 109,40C, xw = 0,0235 suy yD = 0,0554 sử dụng bảng sổ tay Quá trình thiết bị nội suy giá trị độ nht = 0,241ì10 -3 N.s/m2, àT= 0,252ì10-3 N.s/m2 nht hỗn hợp: lg µhh = xF.lg µB + (1- xF).lg àT => àhh = 0,2517 ì 10-3 N.s/m2 (= 0,2517 cP) Và độ bay tương đối: NHÓM – K1 LỌC HÓA DẦU 14 TRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM  = 2,437 × 0,2517 = 0,613, tra sổ tay QTTB ta có nW = 0,57 ntb = = 0,56 Suy số đĩa thực tế : Nt = Nlt/ ntb 22 đĩa = 12/0,56 = 21,43 ( đĩa) hay Nt = IV TÍNH TỐN THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT IV.1 Đường kính tháp (Dt) Vtb : Lượng trung bình tháp (m3/h) wtb : Tốc độ trung bình tháp gtb : Lưu lượng (trọng lượng) trung bình tháp (kg/h) Vì lượng trung bình phần chưng phần cất khác nên đường kính đoạn chưng đoạn cất khác IV.1.1 Đường kính đoạn cất Có thể tính gần trung bình cộng lượng khỏi đĩa tháp (gd) lượng vào đĩa đoạn luyện (g1) a Lượng trung bình phần cất Trong đó: gd : Lượng khỏi đĩa tháp (kg/h) g1: Lượng vào đĩa đoạn cất (kg/h) - NHÓM – K1 LỌC HĨA DẦU 15 TRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM  Xác định gd gd = GL + GD = GD.( R+1) = 128.(8,644 + 1) = 1234,432(kg/h)  Xác định g1 - Ta có hệ phương trình: g1 = G1 +GD g1 = x1.G1 +aDGD (*) g1r1 =gd rd - Trong đó: G1: Lượng lỏng đĩa đoạn cất r1: ẩn nhiệt hóa hỗn hợp vào đĩa đoạn cất rd : ẩn nhiệt hóa hợp khỏi đỉnh tháp  Tính r1 - t1 = tF = 105,60C Tra tài liệu tham khảo [4] - Ẩn nhiệt hóa benzen: rB1 = 378,57 kJ/kg - Ẩn nhiệt hóa Toluen: rT1 = 368,19 kJ/kg - r1 = rB1 + (1 - ) rT1 = 368,19 + 10,38 kJ/kg  Tính rd: - tD = 81,010C, tra sổ tay ta có: - Ẩn nhiệt hóa benzen: rBd = 392,64 kJ/kg - Ẩn nhiệt hóa Toluen: rTd = 377,86 kJ/kg Suy rD = rBd yD + (1-yD) rTd = 392,64.0,986 + 0,014.377,86 = 392,433 kJ/kg - x1 = aF = 0,1 (theo phần khối lượng) - Giải hệ (*) ta G1 = 1180,92 (kg/h) = 0,184 (phần khối lượng) => phần mol y = 0,21 g1 = 1308,92 (kg/h) Vậy gtb = = 1271,676 (kg/h)  Tốc độ trung bình tháp đoạn cất Tốc độ giới hạn tháp với mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền: wgh =0,05 Với: xtb :khối lượng riêng trung bình pha lỏng (kg/m3) ytb : khối lượng riêng trung bình pha (kg/m3) NHÓM – K1 LỌC HÓA DẦU 16 TRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM  Xác định ytb ytb = với: Nồng độ phần mol trung bình: ytb = = = 0,598 Nhiệt độ trung bình đoạn cất: ttb = = 93,305 0C Suy �ytb = 2,78 (kg/m3)  Xác định xtb Nồng độ phần mol trung bình:xtb = = 0,5405 Suy tb = = 0,499 ttb93,3050C, tra bảng 4/397 sách tập, có: �benzen = 804 (kg/m3) �toluen = 798 (kg/m3) Áp dụng công thức = + Suy ra:xtb = 800,98 (kg/m3) Suy ra: wgh = 0,05 = 0,849 Để tránh tạo bọt chọn tốc độ trung bình tháp: wh = 0,8 wgh = 0,8 0,849 = 0,679  Xác định ⱷ[ϭ] : hệ số tính đến sức căng bề mặt Ta có: = +  Ϭhh = 10,12 10-3(N/m) = 10,12 (dyn/cm) Với: ϬB = 20,05 10-3 N/m; ϬT = 20,45.10-3 N/m ( số liệu tra từ bảng 24 Sức căng bề mặt phụ thuộc nhiệt độ, trang 413 sách tập ) Vì Ϭhh < 20 dyn/cm nên theo “ sổ tay q trình thiết bị cơng nghệ hóa chất tập 2, trang 184 Chọn ⱷ[ϭ] = 0,8 Áp dụng công thức (�y.wy)tb =0,065.ⱷ[ϭ] = 0,065 0,8 = 1,344 (kg/m2.s) Trong h khoảng cách mâm (chọn h =0,3m ứng với D = 0,6 ÷ 1,2 m) Vậy đường kính đoạn cất : NHĨM – K1 LỌC HÓA DẦU 17 TRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM Dcất = 0,0188 = = 0,578 m IV.1.1 Đường kính đoạn chưng a Lượng trung bình phần cất Trong đó: g’n: Lượng khỏi đoạn chưng (kg/h) g’1: Lượng vào đoạn chưng (kg/h)  Xác định g’n: Đã có g’n = g1 = 1308,92 (kg/h)  Xác định g’1: Lượng vào đoạn chưng g’1, lượng lỏng đĩa thứ đoạn chưng G’1 hàm lượng lỏng ’1 xác định theo hệ phương trình cân vật liệu cân nhiệt lượng sau: - G’1 = g’1 +Gw g’1 = G’1 yw +Gw.aw (**) g’1.r’1 = g1r1 - Trong :r’1 ẩn nhiệt hóa hỗn hợp vào đĩa thứ đoạn chưng Tính r’1 Ẩn nhiệt hóa benzen : 372,04 (kJ/kg) Ẩn nhiệt hóa toluen : 363,31 (kJ/kg) Lặp lại bước tương tự ta tính đường kính phần chưng Kết tính tốn : Đường kính phần chưng Dchưng = 0,591 (m) Kết luận: Đường kính đoạn chưng đoạn cất gần Có thể thấy tháp chưng cất, thực tế đường kính đoạn chưng đoạn cất không chênh lệch (thường không chênh 0.1m) nên chọn đường kính tháp 0,6 m IV.2 Chiều cao tháp Chiều cao tháp xác định phương pháp đường cong động học: H = Nt.(Hd + ) + (0,8 ÷ 1), m NHĨM – K1 LỌC HĨA DẦU 18 TRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM Trong : H - Chiều cao tháp Nt - Số đĩa thực tế Hd - Khoảng cách đĩa k = 0,8÷1 : Khoảng cách cho phép đỉnh đáy thiết bị Theo bảng IX4a [II-169] chọn Hd = 0,45 (m) : Chiều dày đĩa Chọn Vậy chiều cao tháp: H= 22.(0,45+0,005)+0,8 = 10,81 (m) V CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG V.1 Cân nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu đến nhiệt độ sôi QF = CF GF (tF - tvào) Chọn nhiệt độ vào thiết bị gia nhiệt tvào =300C Ta có tF = 105,6 0C Nhiệt độ trung bình: t = (tF + tvào)/2 = 67,8 0C Tra sổ tay nội suy ta có: Nhiệt dung riêng Benzen : 1957,3 (J/kg.độ) Nhiệt dung riêng Toluen: 1920,8 (J/kg.độ) Ta có CF = aF.CB +(1 – aF) CT = 0.1 1957,3 + 0,9 1920,8 = 1924,45 (J/kg.độ) Do QF = 1924,45 1500 (105,6 – 30) = 218232,630 (kJ/h) V.2 Cân nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đáy từ 109,4 0C xuống 350C Qw = Gw Cw (tw – tra) Nhiệt độ trung bình t = (tw+ tra)/2 = 72,20C Tra sổ tay nội suy ta có: Nhiệt dung riêng Benzen : 1983 (J/kg.độ) Nhiệt dung riêng Toluen: 1952 (J/kg.độ) Ta có : Cw = aw.CB +(1 – aw) CT NHÓM – K1 LỌC HÓA DẦU 19 TRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM = 0,02 1983 + 0.98 1952 = 1952,62 ( J/h) Qw = 1372 1952,62 (109,4 – 35) = 199317,201 (kJ/h) V.3 Cân nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh từ 81,01 0C xuống 350C QD = GD.CD (tD – tDra) Nhiệt độ trung bình t = (tD+tDra)/2 = 58,010C Tra sổ tay nội suy ta có: Nhiệt dung riêng Benzen : 1920 (J/kg.độ) Nhiệt dung riêng Toluen: 1890 (J/kg.độ) Ta có: CD = aD.CB +(1 – aD) CT = 0,96 1920 + 0,04 1890 = 1918,8 ( J/h) QD = 128 1918,8 (81.01 – 35) = 11300,35 (kJ/h) V.4 Cân nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ Qnt = (R+1) GD.rD Với: rD = aD.rB + (1- aD).rT tD = 81.010C, ta có rB = 392,4.103J/kg; rT = 377,8.103 J/kg  rD = aD.rB + (1- aD).rT = 0,96.392,4.103 + 0.04.377,8.103= 391,816.103 J/kg  Qnt = (8.644+1) 128.391,816.103 = 483670,209 (kJ/h) V.5 Nhiệt lượng cung cấp cho đáy tháp Từ cân nhiệt lượng ta có: QT =Qnt +QW +QD– QF=1,05.(483670,209+199317,201+ 11300,35 - 218232,630) = 499857,89 (kJ/h) Trong hao 1,05 hao hụt tính 5% NHĨM – K1 LỌC HĨA DẦU 20 TRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM VI KẾT LUẬN Sau thời gian nghiên cứu, nhóm em tìm hiểu học tập vấn đề: - - - Tính tốn thiết kế tháp chưng cất benzene – toluene tương đối hoàn chỉnh biết trước suất, nồng độ nhập liệu, nồng độ độ thu hồi sản phẩm đỉnh Tính tốn tương đối chi tiết trình làm việc thiết bị khả chịu bền thiết bị tính ăn mịn học hóa học, điều kiện làm việc thiết bị Thiết bị có ưu điểm suất cao, hoạt động ổn định NHÓM – K1 LỌC HÓA DẦU 21 TRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM - Tuy nhiên vận hành, ta cần ý độ xác cao, vấn đề an tồn lao động để tránh rủi ro xảy ra, gây thiệt hại người Trong phạm vi khuôn khổ môn học thời gian hạn chế, đồng thời lần nhóm em làm tập lớn mơn Q trình thiết bị nên khơng tránh khỏi sai sót Nhóm em mong nhận đánh đóng góp ý kiến thầy bạn Em xin chân thành cảm ơn! VII TÀI LIỆU THAM KHẢO Võ Văn Bang, Vũ Bá Minh (2004), “Quá trình Thiết bị cơng nghệ hóa học Tập 3, Truyền khối”, Nhà xuất đại học quốc gia TP Hồ Chí Minh Phạm Văn Bơn, Vũ Bá Minh, Hồng Minh Nam “ Q tình Thiết bị cơng nghệ hóa học tập 10, Ví dụ tập”, Nhà xuất đại học quốc gia TP.Hồ Chí Minh, Trang 394-467 Tập thể tác giả (1999), “Sổ tay trình Thiết bị cơng nghệ hóa chất tập 1”, Nhà xuất khoa học kĩ thuật Hà Nội NHÓM – K1 LỌC HÓA DẦU 22 TRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM Tập thể tác giả (1999), “Sổ tay q trình Thiết bị cơng nghệ hóa chất tập 2”, Nhà xuất khoa học kĩ thuật Hà Nội Vũ Tiến Dũng, Phan Đình Tuấn (2010), “Đồ án mơn học q trình Thiết bị”, Trường đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh NHĨM – K1 LỌC HÓA DẦU 23 ... tập lớn tính tốn chọn lựa tháp chưng cất hệ benzene – toluene có suất 1500kg/h nồng độ 10% benzene, yêu cầu sản phẩm thu benzene có nồng độ tối thiểu 70% I.TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT I.1... hiểu học tập vấn đề: - - - Tính tốn thiết kế tháp chưng cất benzene – toluene tương đối hoàn chỉnh biết trước suất, nồng độ nhập liệu, nồng độ độ thu hồi sản phẩm đỉnh Tính tốn tương đối chi tiết... hệ benzene – toluene: - Sản phẩm đỉnh chủ yếu benzene toluene Sản phẩm đáy chủ yếu toluene benzene I.1.2 Phương pháp chưng cất Các phương pháp chưng cất phân loại theo:  Áp suất làm việc: Áp suất