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

Sau chưng luyện thu được sản phẩm có độ nồng độ đậm đặc cao, sản phẩmđỉnh giàu cấu tử benzen dễ bay hơi và sản phẩm đáy giàu cấu tử toluen khó bay hơi.Nhận thấy được tầm quan trọng không

LỜI MỞ ĐẦU

Trải qua hàng mấy nghìn năm, con người đã không ngừng nổ lực để tìm kiếm các hóachất hóa học khác nhau phục vụ cho nhu cầu phát triển của xã hội Trong suốt chặng đườnggian nan đó, rất nhiều hóa chất được phát hiện nhưng phần lớn chúng tồn tại ở dạng hỗn hợp

và không đem đến ứng dụng gì đáng kể cho thực tiễn Tuy nhiên, qua quá trình nghiên cứucho thấy rằng nếu tách hỗn hợp đó thành từng cấu tử riêng biệt có độ tinh khiết cao thì rấtnhiều lợi ích được mang lại Điều này dẫn đến sự ra đời của ngành công nghệ sản xuất hóachất mà điển hình là chưng luyện Nếu như nói ngành công nghệ sản xuất là một cơ thể hoànchỉnh thì chưng luyện là một bộ phận của cơ thể đó Chưng luyện là một quá trình quan trọngtrong sản xuất công nghiệp dùng để nâng cao nồng độ dung dịch, được ứng dụng rộng rãitrong sản xuất cồn công nghiệp, sản xuất axit sunfuaric, So với nhiều phương pháp nhưtrích ly, cô đặc, hấp thụ, thì chưng luyện là phương pháp đơn giản, ít tốn kém và hiệu quảcao Sản phẩm sau chưng luyện có vai trò quan trọng, là nguyên liệu cần thiết phục vụ chophòng thí nghiệm và các ngành sản xuất hóa chất khác nhau

Xét hệ gồm benzen và toluen, thực tế chúng tồn tại ở dạng hợp chất và không có ứngdụng gì trong sản xuất, tuy nhiên nếu bằng cách nào đó có thể tách được benzen và toluen rakhỏi hợp chất trên thì lợi ích mà chúng mang lại là rất lớn Benzen là hợp chất mạch vòng, ởdạng lỏng không màu, có mùi thơm nhẹ, dễ bay hơi, dễ cháy và nhẹ hơn nước Đặc biệt,benzen là một dung môi hòa tan rất tốt được nhiều chất như mỡ, cao su, hắc ín, Một trongnhững ứng dụng thực tế dễ thấy của benzen là sản xuất vecni, sơn, sáp thơm

Toluen là một hợp chất mạch vòng, ở dạng lỏng và có tính thơm, không phân cực và do

đó nó tan tốt trong benzen Toluen ít độc nên nó được làm dung môi được sử dụng nhiềutrong phòng thí nghiệm và trong công nghiệp

Từ những ứng dụng quan trọng đó cho thấy vai trò thiết yếu của benzen và toluen trongđời sống, đồng thời dựa trên đặc tính của hệ benzen - toluen là hai cấu tử hòa tan lẫn nhau và

có nhiệt độ sôi khác xa nhau, benzen sôi ở 80,1ᵒC trong khi toluen có nhiệt độ sôi lên đến110,6ᵒC; khoảng chênh lệch nhiệt độ sôi là khá lớn lên đến 30,5ᵒC Vì vậy, đây là điều kiệnthuận lợi để áp dụng phương pháp chưng luyện tách hỗn hợp benzen-toluen thành từng cấu

tử riêng biệt Sau chưng luyện thu được sản phẩm có độ nồng độ đậm đặc cao, sản phẩmđỉnh giàu cấu tử benzen dễ bay hơi và sản phẩm đáy giàu cấu tử toluen khó bay hơi.

Nhận thấy được tầm quan trọng không thể thiếu của benzen, toluen tinh khiết và kếthợp với những ưu điểm vốn có của phương pháp chưng luyện đã nêu nên tôi chọn đề tài là:Tính toán và thiết kế hệ thống chưng luyện hệ benzen - toluen hoạt động liên tục với năngsuất nhập liệu là Gđ= 600kg/h có nồng độ xF= 7% mol benzen, thu được sản phẩm đỉnh cónồng độ xP= 96% mol benzen và sản phẩm đáy xW= 2% mol benzen

Với đề tài như trên, đồ án có 3 phần:

Chương 1: Tổng quan lý thuyết Ở chương này tôi sẽ giới thiệu về chưng luyện và trìnhbày các tính chất của nguyên liệu, sản phẩm

Chương 2: Cân bằng vật chất Tính cân bằng vật chất trong phân xưởng, nhà máy.Chương 3: Cân bằng năng lượng Dành để tính lượng nhiệt tiêu hao ở mỗi phân xưởng

Chương 1: Tổng quan lý thuyết

1.1 Tổng quan về nguyên liệu và sản phẩm

1.1.1 Benzen

Benzen là một hợp chất mạch vòng, ở dạng lỏng không màu và có mùi thơm nhẹ

Công thức phân tử của benzen là C6H6.

Công thức cấu tạo của benzen:

Benzen không phân cực, vì vậy nó tan tốt trong các dung môi hữu cơ không phân cực vàtan rất ít trong nước Trước đây thường sử dụng benzen làm dung môi; tuy nhiên về saungười ta phát hiện ra benzen rất độc, nồng độ benzen trong không khí chỉ cần thấpkhoảng 1ppm cũng có khả năng gây bệnh bạch cầu, nên ngày nay benzen được sử dụnghạn chế hơn

Ứng dụng của benzen: Benzen có nhiều ứng dụng trong thực tế

 Chất dẻo

1.1.2 Toluen (phenylmetan, toluol)

Là một hợp chất mạch vòng, ở dạng lỏng và có tính thơm Toluen còn có tên gọi làphenylmetan hay toluol

Công thức phân tử là C7H8 tương tự như benzen có gắn thêm nhóm CH3

Công thức cấu tạo:

Toluen không phân cực, do đó toluen tan tốt trong benzen Toluen có tính chất dung môitương tự benzen nhưng độc tính thấp hơn nhiều

Các tính chất vật lí của toluen:

 Là chất lỏng không màu, có thể cháy được, độ nhớt thấp

 Có mùi thơm giống benzen.

 Là dung môi hòa tan tốt chất béo, dầu, nhựa thông, lưu huỳnh, photpho và iot

 Toluen có thể tan lẫn hoàn toàn vào với hầu hết các dung môi hữu cơ như rượu,ete, xeton, phenol, este,

 Toluen rất ít tan trong nước, độ hòa tan vào nước của nó ở 160ᵒC là 0.047g/100ml, ở 150ᵒC là 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 nay thường được sử dụng thay benzen làm dung môi trong phòng thí

nghiệm và trong công nghiệp Một số ứng dụng dễ thấy của benzen, toluen là sản xuấtnến, sơn

– toluen

Trong thực tế, ta thấy benzen và toluen khi khai thác lên thì chủ yếu tồn ở dạng hợp chất,chúng hòa lẫn vào nhau và không mang lại ứng dụng gì thiết thực cho thực tế hoặc nếu cóthì rất ít Vì vậy người ta đã dùng phương pháp chưng luyện dựa để tách riêng từng cấu

tử có độ tinh khiết cao để phục vụ cho nhiều ngành khác nhau như đã nêu ở phần ứngdụng của benzen, toluen

Ta có bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Benzen – toluen ở

760 mmHg (ST QTTB T2/146)

Qua bảng trên, ta thấy benzen và toluen có nhiệt độ sôi khác xa nhau nên việc áp dụngchưng luyện để tách hai hỗn hợp này thành cấu tử riêng biệt là phù hợp.

1.2 Tổng quan về các phương pháp chưng luyện

1.2.1Định nghĩa chưng luyện

Chưng luyện là phương pháp phổ biến nhất dùng để tách hoàn toàn hỗn hợp các cấu tử dễbay hơi có tính chất hòa tan một phần hoặc hòa tan hoàn toàn vào nhau

Trong công nghệ hóa học để tách một hỗn hợp lỏng đồng thể gồm 2 cấu tử, tùy thuộc tínhchất vật lý của 2 cấu tử đó mà sử dụng một trong ba quá trình: Chưng luyện, trích ly, kếttinh Mỗi phương pháp đều có ưu nhược điểm đặc trưng Nhưng có thể thấy rằng, chưngluyện là phương pháp truyền chất đơn giản nhất, ít tốn kém nhất và luôn được xem xétđầu tiên để tách một hỗn hợp gồm 2 cấu tử riêng biệt Đối với hệ toluen – benzen là hỗnhợp hai cấu tử hòa tan lẫn nhau và có nhiệt độ sôi khác xa nhau (khoảng cách nhiệt độ sôigiữa toluen và benzen lên đến 30.6 ᵒC) nên việc lựa chọn chưng luyện là giải pháp tối ưunhất

Sơ lược về quá trình chưng: Quá trình chưng bắt đầu được áp dụng với nền sản xuất rượu

từ thế kỷ 11 Ngày nay các hỗn hợp chất lỏng cần tách càng phong phú:

 Dầu mỏ, tài nguyên được khai thác ở dạng lỏng, 3 tỷ tấn/năm

 Không khí hóa lỏng được chưng cất ở nhiệt độ 190ᵒC để sản xuất oxy và nitơ

 Quá trình tổng hợp hữu cơ thường cho sản phẩm ở dạng hỗn hợp chất lỏng Ví dụsản xuất methanol, etylen, propilen, butadien

 Công nghệ sinh học thường cho sản phẩm là hỗn hợp chất lỏng như etylic, nước từquá trình lên men

Quá trình chưng bao gồm chưng cất và chưng luyện Chưng luyện dùng để tách hai sảnphẩm ra khỏi nhau, còn chưng cất dùng để tách riêng nhiều sản phẩm

Khi chưng, thu được nhiều sản phẩm Thường bao nhiêu cấu tử thì bấy nhiêu sản phẩm,trường hợp có hai cấu tử ( chưng luyện) thì thu được:

Sản phẩm đỉnh gồm cấu tử dễ bay hơi và một phần cấu tử khó bay hơi

Sản phẩm đáy gồm chủ yếu cấu tử khó bay hơi và một phần cấu tử dễ bay hơi

Đối với hệ benzen – toluen:

Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm benzen và một ít toluen

Sản phẩm đáy chủ yếu là toluen và một ít benzen.

1.2.2 Phân loại các phương pháp chưng luyện:

 Phân loại theo áp suất làm việc:

 Chưng luyện ở áp suất chân không: dùng cho các hỗn hợp (hệ lỏng) dễ bị phânhủy ở nhiệt độ sôi cao và các hỗn hợp có nhiệt độ sôi quá cao

 Chưng luyện ở áp suất thường: áp dụng để chưng hệ lỏng có nhiệt độ sôi trung

bình

 Chưng luyện ở áp suất cao: dùng cho các hỗn hợp không hóa lỏng ở nhiệt độ thường , chưng hệ khí có nhiệt độ sôi thấp.

 Phân loại theo nguyên lí làm việc:

 Chưng luyện liên tục: quá trình chưng luyện được thực hiện liên tục, nghịch dòng,

nhiều đoạn

 Chưng luyện gián đoạn: dùng để tách sơ bộ và làm sạch các cấu (độ bay hơi của

các cấu tử phải khác xa nhau) tử ra khỏi tạp chất Phương pháp này thường được

sử dụng khi:

 Nhiệt độ sôi của các cấu tử khác xa nhau

 Không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao

 Tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi

 Tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử

 Theo phương pháp cấp nhiệt đáy tháp:

 Cấp nhiệt trực tiếp bằng hơi nước: dùng để tách các hỗn hợp gồm các chất khó bay

hơi và tạp chất không bay hơi, hợp chất được tách không tan trong nước

 Cấp nhiệt gián tiếp bằng nồi đun áp suất thường

Vậy: Đối với hệ benzen – toluen là hỗn hợp lỏng có nhiệt độ sôi trung bình nên ta chọn

phương pháp chưng luyện liên tục cấp nhiệt liên tục bằng nồi đun ở áp suất thường

Thiết bị chưng luyện

Trong sản xuất, người ta thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để tiến hành chưngluyện.Tuy nhiên, yêu cầu cơ bản chung của các thiết bị vẫn giống nhau nghĩa là diện tíchtiếp xúc pha phải lớn Điều này phụ thuộc vào mức độ phân tán của một lưu chất này vàolưu chất kia Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta có các loại tháp mâm, nếu pha lỏngphân tán vào pha khí ta có tháp đệm, tháp đĩa, tháp phun,

Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có cấu tạo khácnhau, trên đó pha lỏng và pha hơi được cho tiếp xúc với nhau Tùy theo cấu tạo của đĩa,

ta có:

- Tháp mâm chóp: trên mâm bố trí có chóp dạng tròn, xupap,

- Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh

Tháp đệm: tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối với nhau bằng mặt bích hay hàn Vật đệm

được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp sau: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự

Tháp chóp:

 Cấu tạo:

 Gồm nhiều tầng đĩa, mỗi đĩa có một chóp

 Giữa chóp có ống hơi để hơi đi lên

 Trên đĩa có ống chảy chuyền để lỏng đi xuống Ống chảy chuyền nằm ngoài tháp

 Tháp đĩa làm việc theo phương tiếp xúc từng bậc: nồng độ thay đổi qua các tầng

đĩa theo chiều cao của tháp

 Đun nóng nguyên liệu đầu bằng điện trở, đun sôi ở đáy tháp bằng đầu gián tiếp

 Tháp được cách nhiệt bằng ống thủy tinh bao ngoài và có lớp cách nhiệt Amiăng

để khống chế nhiệt độ không khí trong ống không đổi

Chọn loại tháp: Để chọn loại tháp thích hợp dùng tách hệ benzen – toluen thì trước tiên

phải xem xét kĩ những ưu nhược điểm của các loại tháp

Bảng: So sánh ưu nhược điểm của các loại tháp

Tháp đệm Tháp đĩa (xuyên lỗ) Tháp chóp

Ưu điểm Cấu tạo đơn giản

Trở lực thấp

Bề mặt tiếp xúc phalớn

Hiệu suất phân táchcao và triệt để

Có thể làm việc vớichất lỏng bẩn nếu dùngđệm cầu có khối lượng

Hiệu suất tương đốicao

Hoạt động khá ổn định

Trở lực tương đối thấp

Hiệu suất cao

Làm việc ổn định.Chiều cao của thápkhông quá cao (số đĩacần dùng vẫn ít nhất cóthể so với các loại thápkhác)

riêng xấp xỉ với khốilượng riêng của chấtlỏng.

Nhược điểm Khó làm ướt đều đệm

Năng suất thấp

Độ ổn định kém vàthiết bị nặng

Không làm việc vớichất lỏng bẩn

Yêu cầu lắp đặt khắtkhe

Lắp đĩa thật phẳng

Cấu tạo phức tạp, tiêutốn nhiều vật tư

Trở lực lớn

Khi thiết kế tháp chưng luyện, ta luôn mong muốn sản phẩm ra đạt nồng độ tinh khiết

cao, hiệu suất làm việc của tháp lớn đồng thời chi phí phải thấp nhất có thể Ở đây, khi

phân tích ta thấy tháp chóp tuy có trở lực lớn, thiết bị phức tạp nhưng lại có ưu điểm hơn

hẳn là hiệu suất cao, làm việc ổn định Hơn nữa, hệ benzen – toluen có nhiệt độ sôi khác

xa nhau, tức là chũng cũng dễ dàng tách riêng khi chưng luyện do đó việc thực hiện

chưng sẽ dễ dàng hơn, tháp không cần phải quá cao hay số đĩa cần dùng không quá nhiều

sẽ giúp tiết kiệm được không gian, đồng thời giảm được chi phí kinh tế thấp nhất có thể

và về lâu dài thì đó là đều mà nhà sản xuất luôn mong muốn Vậy ta sử dụng tháp mâm

chóp để chưng cất hệ benzen – toluen

Ngưng tụ hoàn toàn ( xét thiết bị ở đỉnh):

Sản phẩm(V) đi ra được ngưng tụ hoàn toàn thành lượng lỏng, sau đó hồi lưu (L) và sản phẩm lỏng

(P) Do đó trước khi đưa P ra bình chứa sản phẩm đỉnh thì chỉ cần làm lạnh mà không

cần phải ngưng tụ thêm một lần nữa

Ngưng tụ hồi lưu ( xét thiết bị ở đỉnh):

Sản phẩm V đi ra qua thiết bị ngưng tụ làm lạnh tạo ra:

- Sản phẩm (P) là lượng hơi được tiếp tục qua thiết bị làm lạnh kết hợp ngưng tụ lạithành lỏng rồi qua bình chứa sản phẩm đỉnh do đó sẽ kéo dài thời gian hơn dẫn đếntốn kém chi phí

- Lượng lỏng L hồi lưu lại tháp

Cần phải tính toán và phân tích kĩ lưỡng trước khi chọn thiết bị ngưng tụ để hiệu quảchưng luyện là tốt nhất, giảm được kinh phí về kinh tế tối ưu có thể nhưng vần đảm bảo

về mặt chất lượng sản phẩm theo yêu cầu phù hợp Dù là chọn thiết bị nào, có thể làngưng tụ hoàn toàn hay ngưng tụ hồi lưu thì cũng đều có mặt thuận lợi và khó khăn củanó

Đối với ngưng tụ hoàn toàn thì sản phẩm thu được có độ tinh khiết rất cao (lượng lỏngcủa sản phẩm sau khi ngưng tụ hoàn sẽ được hồi lưu vào đĩa trên cùng của tháp và sẽchảy từ trên xuống dưới đáy tháp; đồng thời sẽ gặp, tiếp xúc pha được hoàn toàn vớilượng hơi từ dưới đi lên do đó nồng độ sản phẩm thu được là rất cao), tuy nhiên thời gianchưng luyện sẽ kéo dài hơn, hiệu suất quá trình thấp hơn so với ngưng tụ hồi lưu

Với ngưng tụ hồi lưu thì sản phẩm thu được vẫn có thể có độ tinh khiết cao tùy tỉ lệ hồilưu, chất lượng sản phẩm thấp hơn so với ngưng tụ hoàn toàn Tuy nhiên, sẽ rút ngắnđược thời gian chưng luyện so với ngưng tụ hoàn toàn, hiệu suất quá trình cao Khi thiết

kế một tháp chưng luyện thì ta luôn mong muốn sản phẩm thu được có độ tinh khiết cao,hiệu suất lớn, đặc biệt là giảm được lượng kinh phí kinh tế tối đa có thể do vậy tôi chọnthiết bị ngưng tụ hồi lưu áp dụng cho chưng luyện hệ benzen – toluen

1.3 Quy trình công nghệ quá trình chưng luyện liên tục hỗn hợp benzen – toluen.

1.3.1 Sơ đồ quy trình công nghệ:

Kí hiệu trong quy trình:

1 Bồn chứa nguyên liệu

1.3.2 Thuyết minh quy trình:

Trước tiên ta xét các thông số nhiệt độ:

 Nhiệt độ nguyên liệu đầu (nhiệt độ lưu trữ nguyên liệu, nhiệt độ nhập liệu): tF

= 30ᵒC ( nhiệt độ môi trường)

 Nếu lưu trữ nguyên liệu ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ môi trường thì phải tốn chiphí làm lạnh.

 Ngược lại, nếu lưu trữ nguyên liệu ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ môi trường thìphải tốn kém chi phí gia nhiệt

 Vậy, ta chọn nhiệt độ lưu trữ nguyên liệu là nhiệt độ môi trường

 Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội: Chọn tP = 35ᵒC (khoảng nhiệt độ môi trường)

- Nhiệt độ làm nguội không nên quá thấp vì sẽ tốn nhiều chi phí làm nguội để bảo quản

- Nhiệt độ làm nguội không được quá cao vì sẽ dễ hư hỏng thiết bị, khó bảo quản

 Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt: Chọn tW = 35ᵒC

- Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt không được quá thấp vì sẽ tốn chi phí làm lạnh hạ nhiệt độ để bảo quản sản phẩm

- Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt không được quá cao vì sẽ dễ làm hư hỏng thiết bị, đặc biệt khi gia nhiệt ở nhiệt độ quá cao thì sản phẩm đáy – cấu tử nặng (toluen) sẽ bay hơi mạnh do đó sẽ lẫn vào sản phẩm đỉnh – cấu tử nhẹ (benzen) làm giảm chất lượng sản phẩm

 Nhiệt độ điểm sôi: Nhiệt độ điểm sôi là nhiệt độ mà tại đó hỗn hợp bắt đầu sôi (bay hơi) Trong quá trình sôi nhiệt độ điểm sôi sẽ tăng lên Trước khi đi vào tháp, hỗn

hợp nguyên liệu sẽ được gia nhiệt đến nhiệt độ điểm sôi Nhiệt độ điểm sôi cao hay thấpphụ thuộc vào nguyên liệu Tra sổ tay Quá trình và thiết bị tập 2 trang 146 và dùng phápnội suy ta tính được: ts(đ) = 108,3−106,10,1−0,05 (0,1 – 0,07) + 106,1 = 107,42 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 tốn ít nhiệt, tiết kiệm (giảm) được thời gian gia nhiệt, hiệu suất sản phẩm sẽtăng do đó cải thiện được một phần chi phí kinh tế

 Nhiệt độ ngưng tụ ở đỉnh tháp

Nhiệt độ ngưng tụ là nhiệt độ mà tại đó giọt lỏng đầu tiên xuất hiện

Tra sổ tay Quá trình và thiết bị tập 2 trang 146 và dùng pháp nội suy ta tính được

nhiệt độ ngưng tụ ở đỉnh tháp là: tsp¿82,3−80,2

1−0,9 (1 - 0,96 ) + 80,2 = 81,04 ᵒCNhiệt độ đỉnh phải luôn giữ ở 81,04ᵒC mà không được thấp hơn hay cao hơn Vì nếunhiệt độ đỉnh thấp hơn 81,04ᵒC thì chưa đạt đến nhiệt độ sôi của benzen, do đó benzenchưa thể bay hơi mà nó sẽ ngưng tụ và rơi xuống đáy làm quá trình chưng luyện bị giánđoạn 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 theobenzen bay ra, do đó sản phẩm đỉnh thu được không tinh khiết, đồng thời hiệu suất táchgiảm

 Nhiệt độ sôi ra ở đáy tháp

Tra sổ tay Quá trình và thiết bị tập 2 trang 146 và dùng pháp nội suy ta tính được nhiệt độsôi ở đáy tháp là: tsw ¿110,6−108,3

0,05−0 (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 là30ᵒC tại bình nguyên liệu (1), được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3) Dòng nhập liệu đượcgia 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 và bắt đầu quá trình chưngluyện 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 từđĩa 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 traođổi giữa hai pha với nhau Pha lỏng chuyển động trong phần chưng càng xuống phía dướicàng giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi tạo nên từ nồi đun (10) lôi cuốncấu tử dễ bay hơi Để duy trì pha lỏng trong các đĩa của đoạn luyện, ta bổ sung bằng dònghồi lưu được ngưng tụ từ hơi đỉnh tháp

Nhiệt độ càng lên trên càng thấp, nên khi hơi đi qua các đĩa từ dưới lên thì cấu tử cónhiệt độ sôi cao là toluen sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp cócấu 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 sảnphẩm đỉnh (12), được làm nguội bằng thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống (12) rồi đượcđưa 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 thích hợp và được kiểm soát bằng lưu lượng kế.Cuối cùng ở đáy ta thu được hỗn hợp lỏng hầu hết là cấu tử khó bay hơi (toluen) Hỗnhợp lỏng ở đáy chủ yếu là toluen một ít benzen nồng độ 2% mol Dung dịch lỏng ở đáy đi

ra khỏi tháp vào thiết bị đun sôi lại (10) Trong nồi đun dung dịch lỏng một phần sẽ bốchơi cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại ra khỏi nồi đun được cho vàobồn chứa sản phẩm đáy (11)

Như vậy, thiết bị làm việc liên tục (hỗn hợp đầu đưa vào liên tục và sản phẩm cũng đượclấy ra liên tục cho sản phẩm đỉnh là giàu cấu tử benzen dễ bay hơi, sản phẩm đáy là dungdịch giàu cấu tử toluen khó bay hơi)

Một số điểm lưu ý khi chưng luyện:

-Trong quá trình chưng luyện, tốc độ gia nhiệt phải vừa phải và đều đặn để cho quá trìnhbay hơi được thực hiện liên tục để hiệu suất làm việc cao

Nếu gia nhiệt nhanh thì sự tiếp xúc pha diễn ra nhanh chóng và không hoàn toàn, hỗn hợphòa lẫn và cùng bay lên đột ngột do đó sản phẩm đỉnh thu được không tinh khiết, năngsuất tách thấp

Ngược lại, nếu gia nhiệt chậm thì quá trình bay thực hiện không đều đặn, kéo dài thờigian tách làm tốn kém chi phí, hiệu suất tách thấp

-Phải sử dụng thùng cao vị thùng cao vị có vai trò tạo ra sự ổn định lưu lượng và áp suấtcủa 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 hợpđầu và phải có phương án thay thế để đảm bảo dây chuyền có thể hoạt động liên tục khibơm có sự cố hỏng hóc hay cần bảo dưỡng định kì

-Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu có vai trò gia nhiệt cho hỗn hợp đầu đến nhiệt độ điểm

sôi Thiết bị này có thể không cần thiết nếu ta chọn hỗn hợp đầu vào không cần gia nhiệt

mà vào tháp ở nhiệt độ thường, chứ không phải ở nhiệt độ điểm sôi như đã giả thiết

Nhưng như vậy trạng thái nhiệt động của hỗn hợp đầu sẽ thay đổi, dẫn đến làm thay đổilượng hơi và lượng lỏng đi trong tháp, có nghĩa là vị trí đĩa tiếp liệu sẽ thay đổi theo.

Chương 2: Cân bằng vật chất

A CÂN BẰNG VẬT CHẤT

Các thông số ban đầu:

 Giả thiết đề cho:

- Khối lượng hỗn hợp nguyên liệu đầu (năng suất nhập liệu): GF= 600 kg/h

- Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong nhập liệu : xF = 7% mol benzen

- Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đỉnh : xP = 96% mol benzen

- Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy : xW = 2% mol benzen

 Gọi:

GF, GP, GW: lưu lượng khối lượng nguyên liệu đầu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy

VF, VP, VW: lưu lượng thể tích nguyên liệu đầu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy

NF, NP, NW: lưu lượng mol nguyên liệu đầu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy

aF, aP, aW : nồng độ phần khối lượng nguyên liệu đầu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy

xF, xP, xW: nồng độ phần mol nguyên liệu trong pha lỏng ở hỗn hợp đầu, đỉnh, tháp

yF, yP, yW: nồng độ phần mol nguyên liệu trong pha lỏng ở hỗn hợp đầu, đỉnh, tháp

bF, bP, bW: nồng độ phần thể tích nguyên liệu đầu, đỉnh, đáy

A: là cấu tử nhẹ - benzen

B: là cấu tử nặng – toluen

Ta có: Khối lượng mol benzen là: MA = 78 kg/mol

Khối lượng mol toluen là: MB = 92 kg/mol

 Từ phân tích ở chương 1:

Nhiệt độ nhập liệu tF = 30ᵒC

Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội: tP = 35ᵒC

Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt: tW = 35ᵒC

Nhiệt độ điểm sôi của 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:

GF = GP + GW (1)

Phương trình cân bằng vật chất riêng phần:

GF.aF = GP.aP + GW.aW (2)

Từ (1) và (2) ta có hệ phương trình: GP + GW = GF

GP.aP + GW.aW = GF.aF

Tương đương với GP + GW = 600 (3)

GP.aP + GW.aW = 600aF (4)

Vì giả thiết cho nồng độ phần mol nên để tính được lưu lượng khối lượng thì trước tiên phải chuyển nồng độ mol sang nồng độ phần khối lượng:

 Nồng độ phần khối lượng nguyên liệu đầu của cấu tử nhẹ:

aFA= ( xFA. MA )/( xFA. MA + ( 1- xFA) MB ) = ( 0,07.78 )/( 0,07.78 + ( 1- 0,07).92 ) = 0,058 phần khối lượng (5)

 Nồng độ phần khối lượng nguyên liệu đầu của cấu tử nặng :

aFB = 1 - aFA = 1 – 0,058 = 0,942 phần khối lượng

 Nồng độ phần khối lượng sản phẩm đỉnh của cấu tử nhẹ:

aPA = ( xPA MA)/( xPA MA + ( 1 - xPA ) MB ) = ( 0,96.78 )/( 0,96.78 + ( 1- 0,96 ).92 )

= 0,953 phần khối lượng (6)

 Nồng độ phần khối lượng sản phẩm đỉnh của cấu tử nặng :

aPB = 1 – aPA = 1 – 0,953 = 0,047 phần khối lượng

 Nồng độ phần khối lượng sản phẩm đáy của cấu tử nhẹ:

aWA =( xWA MA)/( xWA MA + ( 1 – xWA ) MB ) = ( 0,02.78)/(0,02.78 + ( 1- 0,02).92 )

= 0,017 phần khối lượng (7)

 Nồng độ phần khối lượng sản phẩm đáy của cấu tử nặng : aWB = 1 – aWA = 1 – 0,017 = 0,983 phần khối lượng

 Thay kết quả (5), (6), (7) vào hệ phương trình (3), (4) ta có:

 Lưu lượng khối lượng sản phẩm đỉnh là GP ≈ 27,545 kg/h

 Lưu lượng khối lượng sản phẩm đáy là GW ≈ 572,455 kg/h

 Vậy ta có lưu lượng khối lượng từng cấu tử như sau:

 Khối lượng benzen trong hỗn hợp nguyên liệu vào:

GFA = aFA.GF = 0,058 600 ≈ 35,992 (kg/h)

 Khối lượng toluen trong hỗn hợp nguyên liệu vào:

GFB = aFB.GF = 0,942 600 ≈ 564,008 (kg/h)

 Khối lượng benzen trong sản phẩm đỉnh:

GPA = aPA.GP = 0,953.27,256 ≈ 26,257 (kg/h)

 Khối lượng toluen trong sản phẩm đỉnh:

GPB = aPB.GP = 0,047.27,256 ≈ 1,290 (kg/h)

 Khối lượng benzen trong sản phẩm đáy:

GWA = aWA.GW = 0,017.572,454 ≈ 9,736 (kg/h)

 Khối lượng toluen trong sản phẩm đáy:

GF, lưu lượng khối

lượng ở nguyên liệu

vào (kg/h)

2.2 Cân bằng vật chất theo lưu lượng mol

 Khối lượng mol trung bình của hỗn hợp nguyên liệu:

 Lưu lượng mol từng cấu tử trong hỗn hợp nguyên liệu đầu:

 Lưu lượng mol của benzen: NFA = xFA.NF = 0,07.6,592 ≈ 0,461 kmol/h

 Lưu lượng mol của toluen: NFB = (1- xFA ).NF = (1 – 0,07).6,592 ≈ 0,131 kmol/h

 Tính lưu lượng mol sản phẩm đỉnh:

 Khối lượng mol trung bình của hỗn hợp đỉnh:

MP = MA.xP + MB( 1 – xP ) = 78.0,96 + 92(1 – 0,96) = 78,56 kg/mol

 Vậy lưu lượng mol sản phẩm đỉnh là:

NP = GP/MP = 27,256/78,56 ≈ 0,351 kmol/h

 Lưu lượng mol từng cấu tử trong sản phẩm đỉnh:

 Lưu lượng mol của benzen: NPA = xPA.NP = 0,96.0,351 ≈ 0,337 kmol/h

 Lưu lượng mol của toluen: NPB = (1- xPA ).NP = (1 – 0,96).0,351 ≈ 0,014 kmol/h

 Tính lưu lượng mol của sản phẩm đáy:

 Khối lượng mol trung bình hỗn hợp sản phẩm đáy:

MW = MA.xW + MB( 1 – xW ) = 78.0,02 + 92(1 – 0,02) = 91,72 kg/mol

 Vậy lưu lượng mol sản phẩm đáy là:

NW = GW/MW = 572,454/91,72 ≈ 6,241 kmol/h

 Lưu lượng mol từng cấu tử của sản phẩm đáy là:

 Lưu lượng mol của benzen: NWA = NW.xW = 6,241.0,02 ≈ 0,125 kmol/h

 Lưu lượng mol của toluen: NWB = NW( 1 – xW ) = 6,241.(1 – 0,02) ≈ 6,116 kmol/hBảng cân bằng vật liệu tính theo lưu lượng mol (N):

NF, lưu lượng mol

nguyên liệu vào

(kmol/h)

2.3 Cân bằng vật liệu theo lưu lượng thể tích

Khối lượng riêng của benzen và toluen (tra sổ tay quá trình thiết bị tập1 trang 9 bảng 1.2

về thành phần khối lượng riêng theo nhiệt độ)

điểm sôi)

80,1ᵒC ( nhiệt độ đỉnh, nhiệt độ sôi của benzen)

110,6ᵒC ( nhiệt độ đáy, nhiệt độ sôi của toluen)

ρA ( hay ρbenzen) kg/m3 785,8 814,895 780,28

ρB ( hay ρtoluen) kg/m3 781.4 807.9 776.34

 Tính lưu lượng thể tích của hỗn hợp đầu (ứng với nhiệt độ điểm sôi):

 Khối lượng riêng của hỗn hợp đầu ( ứng với nhiệt độ điểm sôi) là:

ρ F = ρA.aFA + ρB( 1 – aFA ) = 786,325.0,058 + 782,171.( 1 – 0,058 ) = 782,420 =

781,6639(kg/m3)

 Lưu lượng thể tích của hỗn hợp đầu (ứng với nhiệt độ sôi là):

VF = GF/ρF = 600/782,420 =0,767593(m3/h)

 Lưu lượng thể tích từng cấu tử trong hỗn hợp đầu:

 Lưu lượng thể tích của benzen trong hỗn hợp đầu: VFA = GFA/ ρA = 35,992/786,325

= 0,046 (m3/h)

 Lưu lượng thể tích của toluen trong hỗn hợp đầu: VFB = GFB/ ρB = 564,008/782,171

= 0,721 (m3/h)

 Lưu lượng phần thể tích của từng cấu tử trong hỗn hợp đầu:

 Lưu lượng phần thể tích của benzen trong hỗn hợp đầu:

vFA = VFA/VF = 0,046/0,767 ≈ 0,06 phần thể tích

 Lưu lượng phần thể tích của toluen trong hỗn hợp đầu:

vFB = 1 - vFA = 1 – 0,06 ≈ 0.94 phần thể tích

 Tính lưu lượng thể tích của hỗn hợp sản phẩm đỉnh:

 Khối lượng riêng của hỗn hợp sản phẩm đỉnh

ρP = ρA.aPA + ρB( 1- aPA ) = 814,888 0,953+ 807,903.( 1 – 0,953)

= 814,561(kg/m3)

 Lưu lượng thể tích của hỗn hợp sản phẩm đỉnh là:

VP = GP/ ρP = 27,546/814,561 = 0,034 (m3/h)

 Lưu lượng thể tích của từng cấu tử trong sản phẩm đỉnh:

 Lưu lượng thể tích của benzen trong sản phẩm đỉnh: VPA = GPA/ ρA =

26,256/814,888

= 0,032 (m3/h)

 Lưu lượng thể tích của toluen trong sản phẩm đỉnh: VPB = GPB/ ρB = 1,29/807,903

= 0,002 (m3/h)

 Lưu lượng phần thể tích của từng cấu tử trong sản phẩm đỉnh:

 Lưu lượng phần thể tích của benzen trong sản phẩm đỉnh:

vPA = VPA/VP = 0,032/0,034 ≈ 0,946 phần thể tích

 Lưu lượng phần thể tích của toluen trong hỗn hợp đầu:

vPB = 1 – vPA = 1 –0,946 ≈ 0,054 phần thể tích

 Tính lưu lượng thể tích của hỗn hợp sản phẩm đáy:

 Khối lượng riêng của hỗn hợp sản phẩm đáy:

ρW = ρA.aWA + ρB( 1 – aWA ) = 792,333 0,017 + 777,703.(1 – 0,017)

= 764,476 (kg/m3)

 Lưu lượng thể tích hỗn hợp sản phẩm đáy:

VW = GW/ρW = 572,454/764,476 = 0,749 (m3/h)

 Lưu lượng thể tích của từng cấu tử trong sản phẩm đáy:

 Lưu lượng thể tích của benzen trong sản phẩm đáy:

VWA = GWA/ρW = 9,736/764,476 = 0,013 (m3/h)

 Lưu lượng thể tích của toluen trong sản phẩm đáy:

VWB = GWB/ρW = 562,718/764,476 = 0,736 (m3/h)

 Lưu lượng phần thể tích của từng cấu tử trong sản phẩm đáy:

 Lưu lượng phần thể tích của benzen trong sản phẩm đáy:

814,888 807,903 814,561

(khối lượng riêng của hỗnhợp sảnphẩm đỉnh)

792,333

777,703 764,476

(khối lượng riêng của hỗnhợp sảnphẩm đáy)

Các thông số Nguyên liệu đầu F Sản phẩm đỉnh P Sản phẩm đáy W

B XÁC ĐỊNH SỐ ĐĨA THỰC TẾ TÍNH CHIỀU CAO THÁP

2.4 Xác định số đĩa thực tế theo phương pháp đồ thị

2.4.1 Vẽ đường cong cân bằng y – x và đồ thị t – x – y theo thực nghiệm:

Thành phần cân bằng tra trong bảng cân bằng lỏng(x) - hơi (y) và nhiệt độ sôi của hai cấu

tử ở 760mmHg (phần trăm số mol) của benzen và toluen ( Bảng IX 2a ST-T2/146)

t, ᵒC 110,

6 108,3 106,1 102,2 98,6 95,2 92,1 89,4 86,8 84,4 82,3 80,2

Lưu lượng mol

2.4.2 Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp và phương trình làm việc:

2.4.2.1 Chỉ số hồi lưu tối thiểu

Rxmin¿ x P− y Fcb

0,96−0,15640,1564−0,07=¿ 9,301Chỉ số hồi lưu thực tế Rx:

Rx = b Rxmin

Trong đó b = 1,1 ÷ 5

Để tính gần đúng ta có thể lấy chỉ số hồi lưa làm việc bằng :

Rx = (1,2 ÷ 2,5) Rxmin (Công thức IX.25a sổ tay quá trình thiết bị tập 2 trang 158)Hay Rx = 1,3 Rxmin + 0,3 (IX.25b sổ tay quá trình thiết bị tập 2 trang 159)

Vậy Rx = 1,3.9,301 + 0,3

= 12,391

2.4.2.2 Phương trình các đường làm việc của đoạn luyện

Theo phần mol, phương trình làm việc của đoạn luyện có dạng: y = Ax + B

2.4.2.3 Phương trình đường làm việc của đoạn chưng

Phương trình làm việc của đoạn chưng có dạng yˊ = Aˊxˊ + Bˊ

12,391+1 x ˊ+

1−18,78112,391+1.0,02 = 2,329 x - 0,0267

 yˊ = 2,329x - 0,0267

Kiểm tra đường làm việc của đoạn chưng yˊ = f(xˊ)

0,02.78+92(1−0,02) = 229339 = 0,017

alvF = MA ylvF+MB (1− ylvF) M A ylvF = 78.0,136+92(1−0,136)78.0,136 = 0,118

alvP = MA ylvP+ MB(1− ylvP) M A ylvP = 78.0,96+92(1−0,96)78.0,96 = 468491 = 0,953

alvW = MA ylvW +MB(1− ylvW ) M A ylvW = 78.0,02+92(1−0,02)78.0,02 = 0,017

Số mâm lý thuyết đoạn luyện: Nlt đluyện = 8,5

Số mâm lý thuyết đoạn chưng: Nlt đchưng = 5

2.4.4 Xác định số đĩa thực tế