thiết kế hệ thống chưng luyện tháp mâm xuyên lổ có ống chảy chuyền với hệ benzen toluen

LỜI MỞ ĐẦU Trải qua hàng nghìn năm, người không ngừng nổ lực để tìm kiếm hóa chất hóa học khác phục vụ cho nhu cầu phát triển xã hội Trong suốt chặng đường gian nan đó, nhiều hóa chất phát phần lớn chúng tồn dạng hỗn hợp không đem đến ứng dụng đáng kể cho thực tiễn Tuy nhiên, qua trình nghiên cứu cho thấy tách hỗn hợp thành cấu tử riêng biệt có độ tinh khiết cao nhiều lợi ích mang lại Điều dẫn đến đời ngành công nghệ sản xuất hóa chất mà điển hình chưng luyện Nếu nói ngành công nghệ sản xuất thể hoàn chỉnh chưng luyện phận thể Chưng luyện trình quan trọng sản xuất công nghiệp dùng để nâng cao nồng độ dung dịch, ứng dụng rộng rãi sản xuất cồn công nghiệp, sản xuất axit sunfuaric, So với nhiều phương pháp trích ly, cô đặc, hấp thụ, chưng luyện phương pháp đơn giản, tốn hiệu cao Sản phẩm sau chưng luyện có vai trò quan trọng, nguyên liệu cần thiết phục vụ cho phòng thí nghiệm ngành sản xuất hóa chất khác Xét hệ gồm benzen toluen, thực tế chúng tồn dạng hợp chất ứng dụng sản xuất, nhiên cách tách benzen toluen khỏi hợp chất lợi ích mà chúng mang lại lớn Benzen hợp chất mạch vòng, dạng lỏng không màu, có mùi thơm nhẹ, dễ bay hơi, dễ cháy nhẹ nước Đặc biệt, benzen dung môi hòa tan tốt nhiều chất mỡ, cao su, hắc ín, Một ứng dụng thực tế dễ thấy benzen sản xuất vecni, sơn, sáp thơm Toluen hợp chất mạch vòng, dạng lỏng có tính thơm, không phân cực tan tốt benzen Toluen độc nên làm dung môi sử dụng nhiều phòng thí nghiệm công nghiệp Từ ứng dụng quan trọng cho thấy vai trò thiết yếu benzen toluen đời sống, đồng thời dựa đặc tính hệ benzen - toluen hai cấu tử hòa tan lẫn có nhiệt độ sôi khác xa nhau, benzen sôi 80,1ᵒC toluen có nhiệt độ sôi lên đến 110,6ᵒC; khoảng chênh lệch nhiệt độ sôi lớn lên đến 30,5ᵒC Vì vậy, điều kiện thuận lợi để áp dụng phương pháp chưng luyện tách hỗn hợp benzen-toluen thành cấu tử riêng biệt Sau chưng luyện thu sản phẩm có độ nồng độ đậm đặc cao, sản phẩm đỉnh giàu cấu tử benzen dễ bay sản phẩm đáy giàu cấu tử toluen khó bay Nhận thấy tầm quan trọng thiếu benzen, toluen tinh khiết kết hợp với ưu điểm vốn có phương pháp chưng luyện nêu nên chọn đề tài là: Tính toán thiết kế hệ thống chưng luyện hệ benzen - toluen hoạt động liên tục với suất nhập liệu Gđ= 600kg/h có nồng độ x F= 7% mol benzen, thu sản phẩm đỉnh có nồng độ xP= 96% mol benzen sản phẩm đáy xW= 2% mol benzen Với đề tài trên, đồ án có phần: Chương 1: Tổng quan lý thuyết Ở chương giới thiệu chưng luyện trình bày tính chất nguyên liệu, sản phẩm Chương 2: Cân vật chất Tính cân vật chất phân xưởng, nhà máy Chương 3: Cân lượng Dành để tính lượng nhiệt tiêu hao phân xưởng Chương 1: Tổng quan lý thuyết 1.1 Tổng quan nguyên liệu sản phẩm 1.1.1 Benzen Benzen hợp chất mạch vòng, dạng lỏng không màu có mùi thơm nhẹ Công thức phân tử benzen C6H6 Công thức cấu tạo benzen: Benzen không phân cực, tan tốt dung môi hữu không phân cực tan nước Trước thường sử dụng benzen làm dung môi; nhiên sau người ta phát benzen độc, nồng độ benzen không khí cần thấp khoảng 1ppm có khả gây bệnh bạch cầu, nên ngày benzen sử dụng hạn chế Các tính chất vật lí benzen: Khối lượng phân tử: 78,1121 g/mol Tỉ trọng (ở 20ᵒC): 0,879 Nhiệt độ sôi: 80,1ᵒC Nhiệt độ nóng chảy: 5,5ᵒC Độ hòa tan ( 25ᵒC): 1,79 g/l Tính chất hóa học benzen: Benzen hợp chất vòng bền vững, dễ tham gia phản ứng khó tham gia phản ứng cộng phản ứng oxy hóa Đặc tính gọi tính thơm • Ứng dụng benzen: Benzen có nhiều ứng dụng thực tế • Chất dẻo • • • • • • • • Dược phẩm • • • • Phẩm nhuộm Dung môi Nhiên liệu Thuốc trừ sâu • Xăng, sơn 1.1.2 Toluen (phenylmetan, toluol) Là hợp chất mạch vòng, dạng lỏng có tính thơm Toluen có tên gọi phenylmetan hay toluol Công thức phân tử C7H8 tương tự benzen có gắn thêm nhóm −CH3 Công thức cấu tạo: Toluen không phân cực, toluen tan tốt benzen Toluen có tính chất dung môi tương tự benzen độc tính thấp nhiều • • • • Các tính chất vật lí toluen: Là chất lỏng không màu, cháy được, độ nhớt thấp Có mùi thơm giống benzen Là dung môi hòa tan tốt chất béo, dầu, nhựa thông, lưu huỳnh, photpho iot Toluen tan lẫn hoàn toàn vào với hầu hết dung môi hữu rượu, ete, xeton, phenol, este, • • • • • Toluen tan nước, độ hòa tan vào nước 160ᵒC 0.047g/ 100ml, 150ᵒC 0.4g/100ml Khối lượng phân tử: 92,13 Tỉ trọng (20ᵒC): 0,886 Nhiệt độ sôi: 110,6ᵒC Nhiệt độ nóng chảy: -93ᵒC Tính chất hóa học: Toluen có tính chất hóa học tương tự benzen Toluen tham gia phản ứng với brom khan, khí Clo, phản ứng nitro hóa, phản ứng cộng, phản ứng oxy hóa nhóm metyl Ứng dụng: ngày thường sử dụng thay benzen làm dung môi phòng thí nghiệm công nghiệp Một số ứng dụng dễ thấy benzen, toluen sản xuất nến, sơn 1.1.3 Hỗn hợp benzen – toluen Trong thực tế, ta thấy benzen toluen khai thác lên chủ yếu tồn dạng hợp chất, chúng hòa lẫn vào không mang lại ứng dụng thiết thực cho thực tế có Vì người ta dùng phương pháp chưng luyện dựa để tách riêng cấu tử có độ tinh khiết cao để phục vụ cho nhiều ngành khác nêu phần ứng dụng benzen, toluen Ta có bảng thành phần lỏng (x) – (y) nhiệt độ sôi hỗn hợp Benzen – toluen 760 mmHg (ST QTTB T2/146) Qua bảng trên, ta thấy benzen toluen có nhiệt độ sôi khác xa nên việc áp dụng chưng luyện để tách hai hỗn hợp thành cấu tử riêng biệt phù hợp 1.2 Tổng quan phương pháp chưng luyện 1.2.1Định nghĩa chưng luyện Chưng luyện phương pháp phổ biến dùng để tách hoàn toàn hỗn hợp cấu tử dễ bay có tính chất hòa tan phần hòa tan hoàn toàn vào Trong công nghệ hóa học để tách hỗn hợp lỏng đồng thể gồm cấu tử, tùy thuộc tính chất vật lý cấu tử mà sử dụng ba trình: Chưng luyện, trích ly, kết tinh Mỗi phương pháp có ưu nhược điểm đặc trưng Nhưng thấy rằng, chưng luyện phương pháp truyền chất đơn giản nhất, tốn xem xét để tách hỗn hợp gồm cấu tử riêng biệt Đối với hệ toluen – benzen hỗn hợp hai cấu tử hòa tan lẫn có nhiệt độ sôi khác xa (khoảng cách nhiệt độ sôi toluen benzen lên đến 30.6 ᵒC) nên việc lựa chọn chưng luyện giải pháp tối ưu Sơ lược trình chưng: Quá trình chưng bắt đầu áp dụng với sản xuất rượu từ kỷ 11 Ngày hỗn hợp chất lỏng cần tách phong phú:  Dầu mỏ, tài nguyên khai thác dạng lỏng, tỷ tấn/năm  Không khí hóa lỏng chưng cất nhiệt độ −190ᵒC để sản xuất oxy nitơ  Quá trình tổng hợp hữu thường cho sản phẩm dạng hỗn hợp chất lỏng Ví dụ sản xuất methanol, etylen, propilen, butadien  Công nghệ sinh học thường cho sản phẩm hỗn hợp chất lỏng etylic, nước từ trình lên men Quá trình chưng bao gồm chưng cất chưng luyện Chưng luyện dùng để tách hai sản phẩm khỏi nhau, chưng cất dùng để tách riêng nhiều sản phẩm Khi chưng, thu nhiều sản phẩm Thường cấu tử nhiêu sản phẩm, trường hợp có hai cấu tử ( chưng luyện) thu được: Sản phẩm đỉnh gồm cấu tử dễ bay phần cấu tử khó bay Sản phẩm đáy gồm chủ yếu cấu tử khó bay phần cấu tử dễ bay Đối với hệ benzen – toluen: Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm benzen toluen Sản phẩm đáy chủ yếu toluen benzen 1.2.2 Phân loại phương pháp chưng luyện:  Phân loại theo áp suất làm việc: • Chưng luyện áp suất chân không: dùng cho hỗn hợp (hệ lỏng) dễ bị phân hủy nhiệt độ sôi cao hỗn hợp có nhiệt độ sôi cao • •  • •      • • Chưng luyện áp suất thường: áp dụng để chưng hệ lỏng có nhiệt độ sôi trung bình Chưng luyện áp suất cao: dùng cho hỗn hợp không hóa lỏng nhiệt độ thường , chưng hệ khí có nhiệt độ sôi thấp Phân loại theo nguyên lí làm việc: Chưng luyện liên tục: trình chưng luyện thực liên tục, nghịch dòng, nhiều đoạn Chưng luyện gián đoạn: dùng để tách sơ làm cấu (độ bay cấu tử phải khác xa nhau) tử khỏi tạp chất Phương pháp thường sử dụng khi: Nhiệt độ sôi cấu tử khác xa Không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao Tách hỗn hợp lỏng khỏi tạp chất không bay Tách sơ hỗn hợp nhiều cấu tử Theo phương pháp cấp nhiệt đáy tháp: Cấp nhiệt trực tiếp nước: dùng để tách hỗn hợp gồm chất khó bay tạp chất không bay hơi, hợp chất tách không tan nước Cấp nhiệt gián tiếp nồi đun áp suất thường Vậy: Đối với hệ benzen – toluen hỗn hợp lỏng có nhiệt độ sôi trung bình nên ta chọn phương pháp chưng luyện liên tục cấp nhiệt liên tục nồi đun áp suất thường Thiết bị chưng luyện Trong sản xuất, người ta thường dùng nhiều loại thiết bị khác để tiến hành chưng luyện Tuy nhiên, yêu cầu chung thiết bị giống nghĩa 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 đệm, tháp đĩa, tháp phun, 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: mâm bố trí có chóp dạng tròn, xupap, Tháp mâm xuyên lỗ: mâm có nhiều lỗ hay rãnh Tháp đệm: tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối với mặt bích hay hàn Vật đệm cho vào tháp theo hai phương pháp sau: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự Tháp chóp:  Cấu tạo: Gồm nhiều tầng đĩa, đĩa có chóp Giữa chóp có ống để lên Trên đĩa có ống chảy chuyền để lỏng xuống Ống chảy chuyền nằm tháp Tháp đĩa làm việc theo phương tiếp xúc bậc: nồng độ thay đổi qua tầng đĩa theo chiều cao tháp  Đun nóng nguyên liệu đầu điện trở, đun sôi đáy tháp đầu gián tiếp  Tháp cách nhiệt ống thủy tinh bao có lớp cách nhiệt Amiăng để khống chế nhiệt độ không khí ống không đổi Chọn loại tháp: Để chọn loại tháp thích hợp dùng tách hệ benzen – toluen trước tiên phải xem xét kĩ ưu nhược điểm loại tháp     Bảng: So sánh ưu nhược điểm loại tháp Ưu điểm Nhược điểm Tháp đệm Cấu tạo đơn giản Trở lực thấp Bề mặt tiếp xúc pha lớn Hiệu suất phân tách cao triệt để Có thể làm việc với chất lỏng bẩn dùng đệm cầu có khối lượng riêng xấp xỉ với khối lượng riêng chất lỏng Khó làm ướt đệm Năng suất thấp Độ ổn định thiết bị nặng Tháp đĩa (xuyên lỗ) Hiệu suất tương đối cao Hoạt động ổn định Trở lực tương đối thấp Tháp chóp Hiệu suất cao Làm việc ổn định Chiều cao tháp không cao (số đĩa cần dùng so với loại tháp khác) Không làm việc với Cấu tạo phức tạp, tiêu chất lỏng bẩn tốn nhiều vật tư Yêu cầu lắp đặt khắt Trở lực lớn khe Lắp đĩa thật phẳng Khi thiết kế tháp chưng luyện, ta mong muốn sản phẩm đạt nồng độ tinh khiết cao, hiệu suất làm việc tháp lớn đồng thời chi phí phải thấp Ở đây, phân tích ta thấy tháp chóp có trở lực lớn, thiết bị phức tạp lại có ưu điểm hiệu suất cao, làm việc ổn định Hơn nữa, hệ benzen – toluen có nhiệt độ sôi khác xa nhau, tức chũng dễ dàng tách riêng chưng luyện việc thực chưng dễ dàng hơn, tháp không cần phải cao hay số đĩa cần dùng không nhiều giúp tiết kiệm không gian, đồng thời giảm chi phí kinh tế thấp lâu dài mà nhà sản xuất mong muốn Vậy ta sử dụng tháp mâm chóp để chưng cất hệ benzen – toluen Ngưng tụ hoàn toàn ( xét thiết bị đỉnh): Sản phẩm (V) ngưng tụ hoàn toàn thành lượng lỏng, sau hồi lưu (L) sản phẩm lỏng (P) Do trước đưa P bình chứa sản phẩm đỉnh cần làm lạnh mà không cần phải ngưng tụ thêm lần Ngưng tụ hồi lưu ( xét thiết bị đỉnh): Sản phẩm V qua thiết bị ngưng tụ làm lạnh tạo ra: - - Sản phẩm (P) lượng tiếp tục qua thiết bị làm lạnh kết hợp ngưng tụ lại thành lỏng qua bình chứa sản phẩm đỉnh kéo dài thời gian dẫn đến tốn chi phí Lượng lỏng L hồi lưu lại tháp Cần phải tính toán phân tích kĩ lưỡng trước chọn thiết bị ngưng tụ để hiệu chưng luyện tốt nhất, giảm kinh phí kinh tế tối ưu vần đảm bảo mặt chất lượng sản phẩm theo yêu cầu phù hợp Dù chọn thiết bị nào, ngưng tụ hoàn toàn hay ngưng tụ hồi lưu có mặt thuận lợi khó khăn Đối với ngưng tụ hoàn toàn sản phẩm thu có độ tinh khiết cao (lượng lỏng sản phẩm sau ngưng tụ hoàn hồi lưu vào đĩa tháp chảy từ xuống đáy tháp; đồng thời gặp, tiếp xúc pha hoàn toàn với lượng từ lên nồng độ sản phẩm thu cao), nhiên thời gian chưng luyện kéo dài hơn, hiệu suất trình thấp so với ngưng tụ hồi lưu Với ngưng tụ hồi lưu sản phẩm thu có độ tinh khiết cao tùy tỉ lệ hồi lưu, chất lượng sản phẩm thấp so với ngưng tụ hoàn toàn Tuy nhiên, rút ngắn thời gian chưng luyện so với ngưng tụ hoàn toàn, hiệu suất trình cao Khi thiết kế tháp chưng luyện ta mong muốn sản phẩm thu có độ tinh khiết cao, hiệu suất lớn, đặc biệt giảm lượng kinh phí kinh tế tối đa chọn thiết bị ngưng tụ hồi lưu áp dụng cho chưng luyện hệ benzen – toluen 1.3 Quy trình công nghệ trình chưng luyện liên tục hỗn hợp benzen – toluen 1.3.1 Sơ đồ quy trình công nghệ: Kí hiệu quy trình: 10 11 12 Bồn chứa nguyên liệu Bơm Bồn cao vị Thiết bị đun sôi dòng nhập liệu Lưu lượng kế Nhiệt kế Tháp chưng cất Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh Áp kế Thiết bị đun sôi đáy tháp Bồn chứa sản phẩm đáy Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 10 Dtính toán = = 0,5308483975 < Dgiả thiết = 0,6 (chọn) Vì Dtính toán < Dgiả thiết nên giả thiết Vậy đường kính đoạn luyện là: DLtính toán = 0,5308483975 (m) (ρy.ωy)tb 0,3753665016 ϕ 0,8 ρxtb 839,2963 h 0,25 ρytb 2,78648 Vậy ωytb =(ρy.ωy)tb /ρytb =0,3753665016/2,78648= 0,1347099213 2.5.1.2 Đường kính đoạn chưng: Lượng trung bình đoạn chưng: g’tb = = (STT2/83) Trong đó: g’tb lượng trung bình đoạn chưng (kg/h) g’n lượng trung bình khỏi đoạn chưng (kg/h) Lượng khỏi đoạn chưng lượng vào đoạn luyện: g’ n = g’1 = 575,1209489 (kg/h) Lượng vào đoạn chưng g’1 Phương trình cân lượng từ đĩa tiếp liệu đến đáy tháp: g’ 1.r’1 = g’n r’1 = g1.r1 Với r1 ẩn nhiệt hóa vào đĩa tiếp liệu => r1 = r’n = 408052,0611 Tính r’1 - ẩn nhiệt hóa vào đĩa đoạn chưng tW = 109,68ᵒC T, ᵒC rA, kcal/kg rA, J/kg rB, kcal/kg rB, J/kg 100 90,5 378905,4 88 368438,4 109,68 88,5398 370698,4346 86,5722 362460,487 140 82,6 345829,68 82,1 343736,28 Ẩn nhiệt hóa vào đĩa đoạn chưng: r’1 = a’y1.rA + (1 – a’y1).rB Mà a’y = ayWlv = 0,01700828609 => r’1 = 0,01700828609 370698,4346 + (1 - 0,01700828609) 362460,487 34 = 362600,6 (J/kg) Phương trình cân lượng từ đĩa tiếp liệu đến đáy tháp: g’ r’1 = g’n r’n => g’1 = = = = 647,2115286 Lượng trung bình đoạn chưng là: g’ tb = = = 611,1662387 (kg/h) Vận tốc trung bình đoạn chưng tính cho tháp chóp Nhiệt độ làm việc trung bình đoạn chưng: Ttb = = = 108,55 ᵒC Khối lượng riêng trung bình hỗn hợp t = 108,55 ᵒC ρytb = Mà: Mtb = MA.ytb + MB.(1 - ytb) ytb = = = 0,07823076925 (y’1 = yWlv = 0,02; y’n = yFlv = 0,1364615385) Vậy Mtb = 78 0,07823076925 + 92.(1 - 0,07823076925 ) = 90,90476923 ρytb = = 8,460495418 Khối lượng riêng trung bình hỗn hợp xác định theo công thức: = Mà atb = = = 0,0385 Khối lượng riêng trung bình hỗn hợp lỏng t = 108,55ᵒC T, ᵒC ρA, kg/m3 ρB, kg/m3 100 793 788 108,55 782,74 778,595 => = + = 1,284102933.10-3 35 120 769 766 => ρxtb = 778,7537698 (kg/cm3) Tốc độ trung bình đoạn chưng: (ρy.ωy)tb = 0,065.ϕ.ρytb ρxtb) Trong đó: ρxtb khối lượng riêng trung bình pha lỏng ρytb khối lượng riêng trung bình pha h khoảng cách đĩa chóp ϕ hệ số sức bề mặt, ϕ = 0,8 (tháp chóp) => (ρy.ωy)tb = 0,065.0,8.8,460495418 778,7537698) = 4,22086364 Đường kính đoạn chưng D = 0,0188 = 0,0188 = 0,2048728153/ (m) Gỉa sử Dgiả thiết = 0,6; h = 0,25 Ta có: D = 0,4097456307 < Dgiả thiết = 0,6 (chọn) Vì Dtính toán < Dgiả thiết nên giả thiết Vậy đường kính đoạn chưng là: DLtính toán = 0,4097456307 (m) Chiều cao tháp: Chiều cao tháp tính theo công thức: H = Ntt (h + δ) + ∆h (ST – T2/169) Trong đó: Ntt: số đĩa thực tế toàn tháp h: khoảng cách đĩa 36 δ: chiều dày đĩa ∆h: khoảng cách đỉnh đáy tháp Ta có: Ntt = đĩa h = 0,25 δ = 0,08 ∆h = 0,8 => H = Ntt (h + δ) + ∆h = 8.(0,25 + 0,08) + 0,8 = 3,44 (m) (ρy.ωy)tb 2,11043182 H, (m) 3,44 Ntt h 0,25 δ 0,008 Chương 3: Cân nhiệt lượng 3.1 Lượng đốt cần thiết cho tháp chưng Tổng lượng nhiệt mang vào tổng lượng nhiệt mang ra: QF + Q D + Q R = Q Y + Q W + Q m Trong đó: QF: Nhiệt lượng hỗn hợp đầu mang vào, W QD: Nhiệt lượng đốt cung cấp cho tháp ngưng tụ, W QR: Nhiệt lượng lượng lỏng hồi lưu mang vào, W QY: Nhiệt lượng lượng mang đỉnh tháp, W QW: Nhiệt lượng sản phẩm đáy mang ra, W Qm: Nhiệt lượng tổn thất môi trường xung quanh, W 3.1.1 Nhiệt lượng hỗn hợp đầu mang 37 ∆h 0,8 QF = GF.CF.tF Trong đó: GF: Lượng hỗn hợp dầu tF: Nhiệt độ sôi hỗn hợp CF: Nhiệt dung riêng hỗn hợp Tính nhiệt dung riêng hỗn hợp tF = 107,42ᵒC Bảng: Nhiệt dung riêng benzen, toluen (ST T1/171 – 172) T, ᵒC CA, J/kg độ CB, J/kg độ Ta có: 100 2120 2070 107,42 2142,26 2092,26 120 2180 2130 CF = CA.aF + CB.(1 - aF) = 2142,26.0,06 + 2092,26(1 – 0,06) = 2095,26 (J/kg.độ) Với CA, CB nhiệt dung riêng benzen toluen => QF = GF.CF.tF = 600 2095,26 107,42 = 135043698 (J/h) = 37512,138 (W) QF , W 37512,138 QF, J/h 135043698 GF, kg/h 600 3.1.2 Nhiệt lượng lỏng hồi lưu mang vào QR = GR.CR.tR = GP.Rx.CR.tR Trong đó: Rx: số hồi lưu thích hợp GP: lưu lượng sản phẩm đỉnh CR,tR: nhiệt dung riêng nhiệt độ lỏng hồi lưu CR = CP = aP.CA + (1 - aP) CB 38 CF, J/kgđộ 2095,26 TF, ᵒC 107,42 Với aP : Nồng độ phần khối lượng benzen CA, CB: Nhiệt dung riêng benzen, toluen Tính nhiệt dung riêng benzen, toluen tP = 81,04ᵒC T, ᵒC CA, J/kg độ CB, J/kg độ 80 2035 1980 81,04 2039,42 1984,68 100 2120 2070 => CP = aP.CA + (1 - aP) CB = 0,935 2039,42 + (1 – 0,935) 1984,68 = 2035,862 (J/kgđộ) => QR = GP.Rx.CP.tP = 27,546 12,391 2035,862.81,04 = 56313519,22 (J/h) = 15642,64423 (W) Q R, W QR, J/h Rx 15642,64423 56313519,22 12,391 GP, kg/h 27,625 3.1.3 Nhiệt lượng sản phẩm đáy mang QW = GW.CW.tW Trong đó: GW: Lưu lượng sản phẩm đáy CW: Nhiệt dung riêng hỗn hợp sản phẩm đáy CW = aW.CA + (1 - aW).CA tW: Nhiệt độ hỗn hợp sản phẩm đáy Nhiệt dung riêng benzen, toluen tW = 109,68 ᵒC 39 CP 2035,862 tP 81,04 T, ᵒC CA, J/kg độ CB, J/kg độ Ta có: 100 2120 2070 109,68 2149,04 2099,04 120 2180 2130 CW = CA.aW + CB.(1 – aW) = 2149,04.0,017 + 2099,04(1 – 0,017) = 2099,89(J/kgđộ) Với CA, CB nhiệt dung riêng benzen toluen => QW = GW.CW.tW = 572,454 2099,89 109,68 = 131845278 (J/h) = 36623,688(W) QW , W 36623,688 QW, J/h 131845278 GW, kg/h 572,454 CW, J/kgđộ 2099,89 TW, ᵒC 109,683 3.1.4 Nhiệt lượng mang đỉnh tháp QY = GP.(RX + 1).λ (IX199 STT2/197) Với λ nhiệt dung riêng hỗn hợp đỉnh tháp λ = aP λ A + (1 - aP) λB λA,B = rP + CP.tP Tính ẩn nhiệt hóa cấu tử tP =81,04ᵒC Ẩn nhiệt hóa benzen (STT1/254), kcal/kg = 4,1868.103 J/kg T, ᵒC rA, kcal/kg rA, J/kg 60 97,5 408213 81,04 93,818 392797,2 40 100 90,5 378905,4 Ẩn nhiệt hóa toluen T, ᵒC rB, kcal/kg 60 92,8 81,04 90,2752 100 88 rB, J/kg 388535 377964,2 368438,4 => λA = rA + CA.tP = 392797,2 + 2039,42 81,04 = 558071,8 (J/kg ᵒC) λB = rB + CB.tP = 377964,2 + 1984,68.81,04 = 538802,7 (J/kg ᵒC) Vậy λ = aP λ A + (1 - aP) λB = 0,953 558071,8 + (1 – 0,953) 538802,7 = 556819,3 (J/kg ᵒC) QY = GP.(Rx + 1) λ = 27,546(12,391 + 1) 556819,3 = 205393092,2(J/h) = 57053,63671W λ, J/kg ᵒC 556819,3 QY, W 57053,63671 aP 0,953 QY, J/h 205393092,2 λA 558071,8 GP 27,546 Rx 12,391 λB 538802,7 Λ 556819,3 3.1.5 Lượng trao đổi tháp QTĐ = QD1 – Qm = (QY + QW) – (QF + QR) = (57053,63671 + 36623,688) – (37512,138+ 15642,64423) 41 = 40522,54248 W QTĐ, W 40522,54248 QY 57053,63671 QW 36623,688 QF 37512,138 QR 15642,64423 3.1.6 Lượng nhiệt hao tổn môi trường xung quanh Qm = 5% QTĐ = 0,05 40522,54248 = 2026,127124 (W) 3.1.7 Lượng nhiệt cung cấp cho đáy tháp QD1 lượng đốt đun nóng D1 Chọn đốt áp suất bão hòa P = 3,5at Tra nhiệt độ benzen ẩn nhiệt hóa (ST T1/314) P, at ᵒC r, 10-3J/kg 132,9 84,00225 QD1 = D1.r = QTĐ + Qm 3,5 137,5 83,09375 142,9 82,02725 (ST T2/197) = 40522,54248 + 2026,127124 = 42548,6696 (W) =>D1 = = = 0,5120561968(kg/s) = 1843,402309(kg/h) Bảng tổng hợp lượng đốt đáy tháp QF, (W) 37512, 138 QY, (W) 57053,63 671 QR, (W) 15642,64 423 QW, (W) Qm, (W) 36623, 2026,127 688 124 QD1, (W) 42548,6 696 QTĐ, (W) 40522,54 248 3.2 Lượng đốt cần cung cấp cho thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu 42 D1, (kg/h) 1843,402 309 Phương trình cân bằng: QD2 + QF’ = QF’’ + Qm’ Trong đó: QD2: Nhiệt lượng đốt cần cung cấp QF’: Nhiệt lượng hỗn hợp đầu mang vào QF’’: Nhiệt lượng hỗn hợp đầu mang khỏi đỉnh thiết bị đun nóng Qm’: Nhiệt lượng tổn thất môi trường 3.2.1 Nhiệt lượng hỗn hợp đầu mang vào QF’ = GF.CF’.tF Trong đó: GF: Lượng hỗn hợp đầu t: Nhiệt độ đầu hỗn hợp, t = 30ᵒC CF’: Nhiệt dung riêng hỗn hợp CF’ = aF.CA + (1 - aF).CB Nhiệt dung riêng benzen toluen t = 30ᵒC (ST/171 – 172) T, ᵒC CA, J/kg ᵒC CB, J/kg ᵒC 20 1730 1710 30 1777,5 1755 40 1825 1800 CF’ = aF.CA + (1 - aF).CB = 0,058 1777,5 + (1 – 0,058) 1755 =1756,297529 (J/kg ᵒC) Q’F = GF.CF’.tF = 600 1756,305 30 = 31613355,51 (J/h) = 8781,487643 (W) 3.2.2 Nhiệt lượng hỗn hợp đầu mang khỏi thiết bị đun nóng Lượng nhiệt hỗn hợp đầu mang khỏi thiết bị = Lượng nhiệt hỗn hợp đầu mang vào tháp 43 Q’’F = QF = 37512,138 (W) 3.2.3 Lượng nhiệt trao đổi Q’TĐ = Q’’F - Q’F = 37512,138 - 8781,487643 = 28730,65036 (W) 3.2.4 Lượng nhiệt tổn thất môi trường Q’m = 5% Q’TĐ = 0,05 28730,65036 = 1436,532518 (W) 3.2.5 Lượng nhiệt cần đun hỗn hợp đầu QD2 = D2.λ (ST T1/314) Chọn đốt lò nước hỗn hợp có thông số với đốt để đun nóng đáy tháp P = 3,5 at Mà QD2 + Q’F = Q’’F + Q’m => QD2 = (Q’’F - Q’F ) + Q’m = 28730,388 - 8781,487643 = 19948,90037 (W) 3.2.6 Lượng đốt cần dùng Ta có: QD2 = D2.r => D2 = = = 0,3284707767 (kg/s) = 1182,494796 (kg/h) Bảng tổng hợp lượng đốt cho thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu D2, (kg/h) QD2, (W) Q’TĐ, (W) 1182,494796 27293,86868 28730,388 Q’m, (W) 1436,5194 Q’’F, (W) 37512,138 Q’F, (W) 8781,487643 Lượng đốt nóng đáy tháp lượng đốt cần thiết cung cấp cho thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu D1, (kg/h) 1843,402309 D2, (kg/h) 1182,494796 44 ỨNG DỤNG PRO II VÀO MÔ PHỎNG HỆ BENZEN – TOLUEN Các thông số: Lưu lượng khối lượng nguyên liệu đầu, GF = 600kg/h Thành phần nguyên liệu đầu: xbenzen = 0.07% mol; xtoluen = 0.93%mol Các bước thực hiện: 2.1 Chọn thước đơn vị đo: - Kích vào biểu tượng: Units of Measure - Vào: Initialize from UOM Library sau chọn đơn vị METRIC – SET1, nhấn OK 45 - Chuyển đổi đơn vị áp suất: Tại Pressure, chọn bar(abs) => Nhấn OK 2.2 Chọn cấu tử: Kích vào biểu tượng: Component Selection Tại Select from Lists, chọn All Components – PROCESS Bank, sau chọn Chemical Formula Tại ô Search String: nhập công thức hóa học benzen (C6H6) chọn Add Componens, nhập tiếp công thức hóa học toluen (C7H8) chọn Add Componens sau nhấn OK -> OK 2.3 Chọn phương pháp tính toán: Vào biểu tượng Thermodynamic Data Chọn phương pháp nhiệt động là: Equation of State (vì benzen toluen hidrocacbon) chọn -> Soave – Redlich – K wong -> Add -> OK 2.4 Vẽ mô hình: Stream: Vào Streams (các dòng) kéo giữ chuột Dòng đặt tên NGUYENLIEU Khai báo cho dòng nguyên liệu: Kích vào ô Flowrate and Composition (Lưu lượng thành phần) -> sau chọn Total Fluid Flowrate -> nhập lưu lượng tổng 600 (Vì đơn vị lưu lượng đề cho kg/h, phải đổi đơn vị kg-mol/h sang kg/h trước nhập lưu lượng tổng cách: Vào UOM -> chọn Mass kg/h -> Change Units) Tại ô Composition Mole, nhập % mol cấu tử: Benzen (0.07) toluen (0.93) -> OK Nhập thông số nhiệt độ: 30ᵒC Nhập thông số áp suất: 1bar -> OK Bơm: 46 Giữ kéo thả bơm với dòng: dòng vào NGUYENLIEU dòng đặt tên SAUBOM Khai báo bơm: Tại Outlet Pressure, nhập 2.5 bar, lưu ý phải đổi đơn vị bar Phải nhập áp suất lớn áp suất bình tách thắng trở lực qua van, lúc dòng SAUBOM đủ áp lực để thắng tất trở lực dòng khác Tại Efficiency nhập hiệu suất 75(%) Thông thường hiệu suất dao động 70 – 80 (%) -> OK Van: Van có nhiệm vụ chặn dòng trở lực đường ống Kéo thả van (valve) với dòng: dòng vào có tên SAUBOM dòng đặt tên SAUVAN Khai báo thuộc tính van: Tại ô Presure Drop, nhập áp suất rơi 0.7 bar -> OK Dòng LPSE1 Khai báo riêng dòng LPS vào bình tách để tính lượng nhiệt cần cung cấp vào bình trao đổi nhiệt E1, sau đưa dòng LPSE1 vào bình E1 với thông số cần khai báo: Lưu lượng: 36.307kg/h Áp suất: 3.5bar Nước trạng thái bão hoà nên ta chọn Dewpoint Bình trao đổi nhiệt E1: Khai báo bình trao đổi nhiệt: Áp suất rơi = 0.2 Tiêu chuẩn chọn Duty, nhập: 0.0199 x 10 6kcal/h 47 48 [...]... trình chưng luyện Lưu lượng dòng nhập liệu được kiểm soát qua lưu lượng kế (5) Tháp chưng luyện gồm hai phần : phần từ đĩa tiếp liệu trở lên trên là đoạn luyện, còn từ đĩa tiếp liệu trở xuống là đoạn chưng 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 dòng lỏng đi từ trên xuống Ở đây có sự tiếp xúc và trao đổi giữa hai pha với. .. hỗn hợp benzen – toluen là: ts(đ) = 107,42ᵒC Nhiệt độ ngưng tụ ở đỉnh là: tsp = 81,04ᵒC Nhiệt độ đun sôi lại ở đáy tháp là: tsw = 119,68ᵒC Nguyên liệu vào hệ thống luôn ở nhiệt độ sôi Quá trình làm việc trong thiết bị ở áp suất thường Loại thiết bị sử dụng là tháp mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền 2.1 Cân bằng vật chất theo lưu lượng khối lượng Ta có: Phương trình cân bằng vật chất cho toàn tháp là:... nội suy ta có: α3.µ2 ᶯ3, % 0,3 67 0,313273871 63,336330645 Vậy ᶯ3,% = 63,336 Xác định số mâm thực tế: Hiệu suất đoạn chưng: ᶯC = = = 54,68818101 (%) = 0,5468818101 Hiệu suất đoạn luyện: ᶯL = = = 58,9398611 (%) = 0,589398611 Số mâm thực tế của đoạn luyện: NTTL = = = 14,42147952 (mâm) Làm tròn 15 mâm Số mâm lý thuyết của đoạn chưng: NTTC = = = 9,142756667 (mâm) Làm tròn 9 mâm Vậy tổng số mâm thực tế... được nhiệt độ sôi ở đáy tháp là: tsw (0,05 – 0,02) + 108,3 = 109,68 ᵒC Thuyết minh sơ đồ: Hỗn hợp benzen – toluen có nồng độ đầu là 7% benzen, nhiệt độ nguyên liệu lúc đầu là 30ᵒC tại bình nguyên liệu (1), được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3) Dòng nhập liệu được gia nhiệt tới nhiệt độ điểm sôi trong thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống là 107,42 ᵒC Sau đó hỗn hợp đưa vào tháp chưng luyện (7) ở đĩa nhập liệu... vị có vai trò tạo ra sự ổn định lưu lượng và áp suất của hỗn hợp đầu trước khi vào thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu, nhờ đó thiết bị sẽ làm việc ổn định theo như tính toán và thiết kế Ta có thể thay thùng cao vị bằng bơm nhưng phải đảm bảo sự ổn định của dòng hỗn hợp đầu và phải có phương án thay thế để đảm bảo dây chuyền có thể hoạt động liên tục khi bơm có sự cố hỏng hóc hay cần bảo dưỡng định kì -Thiết. .. trung bình đi trong đoạn chưng và đoạn luyện khác nhau Do đó, đường kính đoạn chưng và đoạn luyện cũng khác nhau 2.5.1.1 Đường kính đoạn luyện: Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện: Gtb = (kg/h) Trong đó: gtb: Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện (kg/h) gđ: Lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng đoạn luyện (kg/h) gl: Lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện (kg/h) Ta có: gđ = GR + GP = GP(RX... nó sẽ ngưng tụ và rơi xuống đáy làm quá trình chưng luyện bị gián đoạn và ta không thu được sản phẩm đỉnh benzen hoặc lượng benzen thu được là rất ít Nếu nhiệt độ đỉnh cao hơn 81,04ᵒC thì sẽ làm cho cấu tử khó bay hơi (toluen) sẽ theo benzen bay ra, do đó sản phẩm đỉnh thu được không tinh khiết, đồng thời hiệu suất tách giảm  Nhiệt độ sôi ra ở đáy tháp Tra sổ tay Quá trình và thiết bị tập 2 trang 146... 0,02 0,0472 0,017 0,017 0,240 2.4.3 Xác định số đĩa lý thuyết: 23 aycb 0,136 Đồ thị x – y: Dựa vào đồ thị x – y ta xác định được số mâm lý thuyết là: Số mâm toàn tháp (làm tròn): Nlt = 14 Số mâm lý thuyết đoạn luyện: Nlt luyện = 8,5 Số mâm lý thuyết đoạn chưng: Nlt chưng = 5 2.4.4 Xác định số đĩa thực tế Ntt = 2.4.4.1 Tính hiệu suất làm việc: Hiệu suất làm việc ηtb là hàm phụ thuộc vào độ bay hơi... thu được hỗn hợp có cấu tử benzen chiếm nhiều nhất (nồng độ 96% mol) Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ (8) được ngưng tụ hoàn toàn Một phần chất lỏng ngưng tụ đi qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (12), được làm nguội bằng thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống (12) rồi được đưa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh (14) Phần còn lại của chất lỏng ngưng tụ được hoàn lưu về tháp ở đĩa trên cùng với tỉ số hồi lưu... ᵒC Vậy nhiệt độ điểm sôi t của hỗn hợp benzen – toluen theo nồng độ x thu được nhiệt độ điểm sôi của hỗn hợp benzen – toluen ứng với nồng độ ban đầu XF = 7% là 107,42C Nhiệt độ điểm sôi của hỗn hợp benzen – toluen Phải gia nhiệt nguyên liệu đầu đến nhiệt độ điểm sôi trước khi đưa vào tháp là để tránh hiện tượng ngưng tụ hơi từ dưới lên khi gặp nguyên liệu đầu có nhiệt độ sôi thấp hơn, đồng thời sẽ ... kết hợp với ưu điểm vốn có phương pháp chưng luyện nêu nên chọn đề tài là: Tính toán thiết kế hệ thống chưng luyện hệ benzen - toluen hoạt động liên tục với suất nhập liệu Gđ= 600kg/h có nồng... tiếp xúc với Tùy theo cấu tạo đĩa, ta có: - Tháp mâm chóp: mâm bố trí có chóp dạng tròn, xupap, Tháp mâm xuyên lỗ: mâm có nhiều lỗ hay rãnh Tháp đệm: tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối với mặt... phân tán vào pha lỏng ta có loại tháp mâm, pha lỏng phân tán vào pha khí ta có tháp đệm, tháp đĩa, tháp phun, Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía có gắn mâm có cấu tạo khác nhau, pha