CHƯNG LUYỆN benzen – toluen

CÁC SỐ LIỆU BAN ĐẦU+Hỗn hợp cần tách:Benzen – Toluen+Năng suất tính theo hỗn hợp đầu: F=13,2 tấnh+Nồng độ cấu tử dễ bay hơiHỗn hợp đầu:aF=0,364 phần khối lượngSản phẩm đỉnh:ap=0,96 phần khối lượngSản phẩm đáy:aw=0,038 phần khối lượng + Tháp làm việc ở áp suất thường + Hỗn hợp đầu được ra nhiệt đến nhiệt độ sôi

Đồ án môn học quá trình thiết bị

Giáo viên hướng dẫn: Thầy VŨ MINH KHÔI

Họ và tên sinh viên : LÊ THANH TÙNG

+ Năng suất tính theo hỗn hợp đầu: F=13,2 tấn/h

+ Nồng độ cấu tử dễ bay hơi

+ Tháp làm việc ở áp suất thường

+ Hỗn hợp đầu được ra nhiệt đến nhiệt độ sôi

1) Giới thiệu chung

+ Mở đầu và giới thiệu hỗn hợp đước chưng luyện+ Vẽ và thuyết minh dây truyền sản xuất

+ Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu+ Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đáy+ Tính bơm

+ Thùng cao vị

4) Tính toán cơ khí và lựa chọn

+ Tính bề dày thiết bị+ Tính đáy và nắp thiết bị+ Chọn bích ghép

+ Tính toán giá đỡ và tai treo5) Kết luận chung

6) Tài liệu tham khảo

NHẬN XÉT ĐỒ ÁN Cán bộ hướng dẫn Nhận xét:

Điểm: Chữ ký: _

Cán bộ hướng dẫn hay Hội đồng bảo vệ Nhận xét: _Điểm: Chữ ký: _

Điểm tổng kết:

LỜI MỞ ĐẦU

Chúng ta đang sống trong thế giới với khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển.Trong ngành công nghệ vật liệu mới không thể không nhắc đến ngành công nghiệphóa học, bởi công nghệ hóa thuộc lĩnh vực công nghệ đòi hỏi công nghẹ cao, mức độphát triển công nghệ này được coi như một chỉ thị về trình độ phát triển một đất nước

Nhận thấy sự phát triển như vũ bão của ngành công nghiệp hóa hoc, với lối tưduy nhạy bén và sang tạo, khoa Công nghệ Hóa Trường Đại Học Công Nghiệp HàNội đã đào tạo ra những sinh viên chuyên ngành Hóa Điều đó không chỉ cung cấpcho đất nước đội ngũ những công nhân lành nghề, thợ kỹ thuật có tay nghề cao mà nócòn mở cơ hội việc làm cho giới trẻ trong lĩnh vực công nghiệp khá mới mẻ này

Là sinh viên khoa Công Nghệ Hóa, chúng em được trang bị rất nhiều kiến thức

cơ bản về quá trình thiết bị công nghệ sản xuất những sản phẩm hóa học Nhận được

đồ án này chúng em đã tìm hiểu về những quá trình công nghệ, được vận dụng nhữngkiến thức đã học và mở rộng vốn kiến thức của mình, từ đó giúp chúng ta có cái nhìn

cụ thể hơn về ngành nghề mình đã chọn

Công nghệ hóa học là ngành giữ vị trí quan trọng trong việc sản xuất phục vụcho nhiều lĩnh vực, cho ngành kinh tế quốc dân, tạo điều kiện cho nhiều ngành pháttriển theo Với những phương pháp sản xuất khác nhau như lắng, lọc, đun nóng, làmnguội, chưng luyện, hấp thụ, trích ly, sấy khô… đã tạo ra rất nhiều sản phẩm đa dạngphong phú đáp ứng nhu cầu ngày càng lớn của con người Đặc biệt đáp ứng nhiềunhất là chưng luyện, nó được đáp ứng trong nhiều ngành nghề, lĩnh vực, đặc biệt côngnghệ lên men, công nghệ tổng hợp hữu cơ, loc – hóa dầu, công nghệ sinh học… Đốivới hệ benzen – toluen là hệ 2 cấu tử tan lẫn vào nhau, ta chọn phương pháp chưngluyện để nâng cao độ tinh khiết cho benzen

Đồ án môn học Quá trình & Thiết bị là một môn học mang tính tổng hợp trongquá trình học tập của các kỹ sư Công nghệ Hoá học tương lai Môn học này giúp sinhviên có thể tính toán cụ thể : quy trình công nghệ, kết cấu, giá thành của một thiết bịtrong sản xuất hoá chất - thực phẩm Đây là lần đầu tiên sinh viên được vận dụng cáckiến thức đã học để giải quyết các vấn đề kỹ thuật thực tế một cách tổng hợp.

Nhiệm vụ của đồ án là thiết kế tháp mâm chóp để chưng cất hỗn hợp Benzen –Toluen ở áp suất thưởng với năng suất theo sản phẩm đỉnh (Benzen) là 13,3 tấn/h cónổng độ 0,96 phần khối lượng benzen, nồng độ sản phẩm đáy là 0,962 khối lượngToluene, nồng độ nhập liệu là 0,364 khối lượng Benzen, nhập liệu ở trạng thái lỏngsôi

dễ bay hơi còn sản phẩm đáy là cấu tử khó bay hơi

Trong sản xuất thường gặp các phương pháp chưng khác nhau như: chưng đơngiản, chưng bằng hơi nước trực tiếp, chưng chân không và đặc biệt là chưng luyện

Chưng luyện là phương pháp thông dụng dung để tách hoàn toàn hỗn hợp cáccấu tử dễ bay hơi có tính chất hòa tan một phần hoặc hòa tan hoàn toàn vào nhau.Chưng luyện ở áp xuất thường dung hỗn hợp dễ phân hủy ở nhiệt độ cao, các cấu tử

dễ bay hơi và ngược lại

- Nguyên lý làm việc

- Tháp chóp: than tháp hình trụ, thẳng đứng bên trong có gắncác đĩa có cấu tạo khác nhau, trên đó pha lỏng và pha hơi đượccho trưc tiếp với nhau Tùy theo cấu tạo của đĩa ta có:

- Hiệu suất khácao

- Khá ổnđịnh

- Hiệu suấtcao

Nhược điểm

- Do có hiệu ứng thành → hiệu suấttruyền khối thâp

- Độ ổn định không cao, khó vậnhành

- Do hiệu ứng thành → khi ↑ áp suấtthì hiệu ứng thành tăng → khó tăngnăng suất

- Thiết bị khá nặng nề

- Không làm việcđược với chấtlỏng bẩn

- Cấu tạo kháphức tạp

- Có tở lựclớn

- Tiêu tốnnhiều vật tư,kết cấu phứctạp

1 Benzen & Toluen

Benzen: là một hợp chất mạch vòng, ở dạng lỏng không màu và có mùi thơmnhẹ Công thức phân tử là C6H6 Benzen không phân cực, vì vậy tan tốt trongcác dung môi hữu cơ khác và rất ít tan trong nước Trước đây người ta thường

sử dụng benzen làm sung môi Tuy nhiên sau đó người ta phát hiện ra rằng

nồng độ benzen trong không khí chỉ thấp khoảng bằng 1ppm cũng có thể gây rabệnh bạch cầu, nên ngày nay benzen được sử dụng hạn chế hơn.

o Đi từ nguồn thiên nhiên

Thông thường các hidrocacbon ít được điều chế trong phòng thí nghiệm,

vì có thể thi được lượng lớn nó bằng phương pháp chưng cất than đá,dầu mỏ…

o Đóng vòng và dehidro hóa ankan

o Các ankan có thể tham ra đóng vòng và dehidro hóa tạo thànhhidrocacbon thơm ở nhiệt độ cao và có mặt xúc tác như Cr2O3 hay cáckim loại chuyển tiếp như Pd Pt

CH3(CH2)4CH3 Al20 Cr 3 /  2 0 3 →

C6H6

o Dehidro hóa các cycloankan

Các cycloankan có thể bị dehidro hóa ở nhiệt đọ cao với sự có mặt củachất xuacs tác kim loại chuyển tiếp tạo thành benzen hay các dẫn xuấtcủa benzene

o Từ benzen ta có thể điều chế được các dẫn xuất của benzen như toluenbằng phản ứng Friedel – Crafts ( phản ứng ankyl hóa benzen bằng cácdẫn xuất ankyl halide với sự có mặt của xúc tác AlCl3

7 6

5- Tháp chưng luyện 10- Thùng chứ sản phẩm đáy

11- Lưu lượng kế

2.Thuyết minh dây truyền sản xuất

Dung dịch đầu ở thùng (1) được bơm (2) bơm lien tục lên thùng cao vị (3), mứcchất lỏng cao nhất ở thùng cao vị được khống chế nhờ ống chảy tràn, từ thùng cao vịdung dịch được đưa vào thiết bị đun nóng (4) qua lưu lượng kế (11), ở đây dung dịchđược đun nóng đến nhiệt đọ sôi bằng hơi nước bão hòa, từ thiết bị gia nhiệt (4) dung

dịch được đưa vào tháp chưng luyện (5) nhờ đĩa tiếp liệu, trong tháp hơi đi từ dưới lêngặp chất lỏng nongd đi từ trên xuống, nhiệt độ và nồng độ các cấu tử thay đổi theochiều cao của tháp Vì vậy, hơi đi từ đĩa phía dưới lên đĩa phía trên, các cấu tử có nhiệt

độ sôi cao ( Toluen) sẽ được ngưng tụ lại và cuối cùng trên đỉnh ta thu được hỗn hợpgồm hầu hết các cấu tử dễ bay hơi ( Benzen) Hơi đó sẽ đi vào thiết bị hồi lưu (6), ởđây nó được ngưng tụ lại

Một phần chất lỏng đi qua thiết bị làm lạnh (7) để làm lạnh đến nhiệt độ cần thiếtrồi đi vào thùng chứa sản phẩm đỉnh (8), một phần khác hồi lưu về tháp ở đĩa trêncùng

Chất lỏng đi từ trên xuống gặp hơi ở nhiệt độ cao hơn, một phần cấu tử có nhiệt độsôi thấp được bốc hơi và do đó nồng độ cấu tử khó bay hơi trong chất lỏng ngày càngtăng rồi cuối cùng ở đáy thu được hỗn hợp lỏng gồm hầu hết cấu tử khó bay hơi Chấtlỏng đi ra khỏi tháp được làm lạnh rồi đưa vào thùng chứa sản phẩm đáy (10) Nhưvậy với thiết bị làm việc liên tục thì hỗn hợp đầu được đưa vào liên tục và sản phẩmđược tháo ra liên tục

3.Các ký hiệu trước khi tính

+ Giả thiết

+ Số mol pha hơi đi từ dưới lên là bằng nhau trong tất cả mọi thiết diện của tháp+ Số mol chất lỏng không thay đổi theo chiều cao đoạn chưng và đoạn luyện.+ Hỗn hợp đầu đi vào tháp ở nhiệt độ sôi

+ Chất lỏng ngưng tụ trong thiết bị ngưng tụ có thành phần bằng thành phần củahơi đi ra đỉnh tháp

+ Cấp nhiệt ở đáy tháp bằng hơi đốt gián tiếp

+ Yêu cầu thiết bị

F: Năng suất tính theo sản phẩm đầu của hỗn hợp F = 13,2 tấn/h

Thiết bị làm việc ở áp suất thường

Tháp chưng loại tháp đĩa chóp

+ Điều kiện

aF : Nồng độ Benzen trong hỗn hợp đầu = 0,364( phấn khối lượng)

aP : Nồng độ Benzen trong sản phẩm đỉnh = 0,96( phần khối lượng)

aw: Nộng độ Benzen trong sản phẩm đáy = 0,038( phần khối lượng)

MA: Khối lượng phân tử Benzen = 78(kg/kmol)

MB: Khối lượng phân tử Toluen = 92(kg/kmol)

D U

D 0 F,x F

Tính toán cân bằng vật liệu

(SƠ ĐỒ CÂN BẰNG VẬT LIỆU HỆ THỐNG THÁP CHƯNG)

Hỗn hợp đầu vào F( Benzen – Toluen ) được tách thành sản phẩm đỉnh P( Benzen) vàsản phẩm đáy W(Toluen) ở đĩa trên cùng có một lượng lỏng hồi lưu, ở đáy tháp cóthiết bị đun sôi, lượng hơi đi ra đỉnh tháp là D

+ Theo phương trình cân bằng vật liệu cho toàn tháp:

F = P + D+ Phương trình cân bằng vật liệu cho riêng cấu tử dễ bay hơi ( Benzen):

F.aF = P.ap+ W.aW+ Lượng sản phẩm đáy:

)/(75,8532038

,096,0

364,096,0.13200

a a

a a F W

W p

364 , 0 1 78

364 ,

364 , 0

+

=

− +

B

F A

F

A F

M

a M

96 , 0 1 78

96 ,

96 , 0

+

=

− +

B

P A

P

A P

M

a M

038 , 0 1 78

038 ,

038 , 0

+

=

− +

B

W A

W

A W

M

a M

a

M

a

phần molĐổi lượng F , P , W ra (kmol/h)

F’= =

852 , 152 92 ).

403 , 0 1 ( 78

− +

(kmol/h)

2 Xác định số bậc thay đổi nồng độ ( số đĩa lý thuyết)

2.1 Xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu

Để đơn giản cho việc thiếp lập đường làm việc của tháp chưng luyện, ta giả thiết:

- Dòng mol pha hơi đi từ dưới lên không đổi trên toàn bộ chiều cao của tháp Dòng mol pha lỏng đi từ trên xuống không đổi trong đoạn luyện và đoạn chưng.Tức thỏa mãn điều kiện sau:

+ Nhiệt hóa hơi mol của các cấu tử bằng nhau theo công thức kinh nghiệm của Trouton

const K

kmol

kcal T

- Hỗn hợp đầu vào tháp ở nhiệt độ sôi

- Chất lỏng đi ra khỏi tháp thiết bị ngưng tụ có thành phần bằng thành phần hơi

đi ra ở đỉnh tháp

- Hơi bốc lên từ đáy tháp có nồng độ bằng nồng độ sản phẩm đỉnh

- Đun sôi tháp bằng hơi đốt trực tiếp

a, Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn luyện

-Phương trình cân bằng vật liệu

D0 = L0 + P

Trong đó : D0 : lượng hơi đi từ dưới lên

L0 : lượng lỏng hồi lưu đi từ trên xuống

-Phương trình cân bằng vật liệu cho cáu tử dễ bay hơi là:

D0.y = L0.x+ P.xP

⇔

( L0 + P).y = L0.x+ P.xP

P x P L

P x P L

L y

+

++

=

⇒

0 0

x R

R y

b, Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng

- Phương trình cân bằng vật liệu:

= +

=

P F w

w P L F L

L u 0 0

Thay vào ta có : (P+ L0).y’= (F+L0).x’ – (F-P).xw

w x P L

P F x P L

F L y

+

−

−+

+

=

0 0

w x R

f x R

f R y

1

1 ' 1

'

+

−

− +

Đồ thị đường cân bằng lỏng hơi:

96.59 33.45

4 , 0 5

,

0

619 , 0 712

Với giá trị xF=0,403 gióng lên đường cân bằng → y* = 62,18

+ Chỉ số hồi lưu tối thiểu của tháp chưng luyện Rmin

5727 , 1 403 , 0 6218 , 0

6218 , 0 9659 , 0

F p x y

y x R

+ Tính chỉ số hồi lưu thích hợp

Vấn đề chọn chỉ số hồi lưu thích hợp rất quan trọng, vì khi chỉ số hồi lưu bé thì số bậccủa tháp lớn hơn nhưng tiêu tốn lượng hơi đốt ít, ngược lại khi chỉ số hồi lưu lớn thì sốbậc tháp ít hơn nhưng tiêu tốn hơi đốt lớn

Rth : chỉ số hồi lưu thích hợp được tính theo tính chất thể tích tháp nhỏ nhất

Nlt : số bậc thay đổi nồng độ ( số đĩa lý thuyết)

→ Chỉ số hồi lưu thích hợp Rx=β.Rmin

33.45

→Số đĩa lý thuyết N =17 đĩa

+ β= 1,3 → Rx = 2,0445 Phương trình đoạn luyện :

y = 0,6715.x + 0,3173

96.59 28.76

→ Số đĩa lý thuyết N = 13 đĩa

+ β = 1,7 → Rx = 2,6736

y = 0,7278.x + 0.263

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

21.4 38 51.1 61.9 71.2

85.4

95.9 100

→ Số đĩa lý thuyết Nlt = 12 đĩa

+ β = 1,8 → Rx = 2,83086

y = 0,739.x + 0,2521

21.4 38 51.1 61.9 71.2

85.4

95.9 100

5

91

79

40.03 4.45

31.73 25.21

96.59

→ Số đĩa lý thuyết Nlt = 12 đĩa

+ β = 1,9 → Rx = 2,98813

y = 0,75.x + 0,2422

11.8

21.4 38 51.1 61.9 71.2

85.4

95.9 100

5

91

79

40.03 4.45

96.59

→ Số đĩa lý thuyết Nlt = 11 đĩa

+ β = 2,1 → Rx = 3,30267

y = 0,768.x + 0,2245

21.4 38 51.1 61.9 71.2

85.4

95.9 100

5

91

79

40.03 4.45

21.4 38 51.1 61.9 71.2

85.4

95.9 100

5

91

79

40.03 4.45

96.59 20.82

→ Số đĩa lý thuyết Nlt = 11 đĩa

+ β = 2,5 → Rx = 3,93175

y = 0,797.x + 0,1959

21.4

38 51.1

96.59

19.59

→ Số đĩa lý thuyết Nlt = 10 đĩa

Từ đó ta có bẳng số liệu :

x R

x R

R

y: nồng độ phần mol cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi đi từ dưới lên

x: nồng độ phần mol cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng chảy từ đĩa xuống

Rx : chỉ số hồi lưu

1 35905 , 2

9659 , 0

1 35905 , 2

35905 , 2

1

+

+ +

f R

R f

1

1

−

− + +

Trong đó: f =

= '

1 57 , 2 1 35905 , 2

57 , 2 35905 , 2

+

−

− +

1 Tính lưu lượng các dòng đi qua tháp

I.1 Xác đinh lưu lượng trung bình đi qua đoạn luyện:

Lượng hơi trung bình đi qua tháp chưng luyện có thể tính gần đúng bằng giá trịtrung bình cộng của lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp và đĩa dưới cùngcủa đoạn luyện

2

1

g g

tb

+

=

gtb: lượng hơi trung bình trong đoạn luyện [kmol/h]

gđ: lượng hơi đi ra đĩa trê cùng của tháp [kmol/h]

g1: lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện [kmol/h]

+ Lượng hơi ra hỏi đỉnh tháp: gđ = GR+Gp=Gp.(Rx+1)

Lượng hơi g1, hàm lượng hơi y1 và lượng lỏng G1 đối với các đĩa thứ nhất của đoạnluyện được xác định theo phương trình cân bằng vật liệu :

g1=G1+GP (1)Phương trình cân bằng vật liệu đối với cấu tử dễ bay hơi:

rđ: ẩn nhiệt hóa hơi của cấu tử hỗn hợp hơi ra đỉnh tháp

x1=xF=0,403 phần mol

Từ đồ thị x – y – t ta được tF= 95,1070C

r1=rA.y1+(1-y1).rB

rđ=rA.yđ+(1-yđ).rB

rA: ẩn nhiệt hóa hơi của cấu tử benzen nguyên chất

rB: ẩn nhiệt hóa hơi của cấu tử toluene nguyên chất

Từ tF=95,107 0C tra bảng I.212 – STQTTB T1 – 254, nội suy ta được:

( 0224 , 8150 )

/ ( 5872

,

88

) /

( 7914 , 7125 )

/ ( 3563

,

91

kmol kcal

kg kcal r

kmol kcal

kg kcal r

rA= 97,5 –

60 100

5 , 90 5 , 97

88 8 , 92

−

−(96,59 – 60) = 88,4092 (kcal/kg)

8,188

3275,129

1 1 1

y g G

g tb = n +

kmol/hkmol/hphần mol

1 :lượng hơi đi vào đoạn chưng (kmol/h)

Vì lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng hơi

đi vào đoạn luyện vậy g’

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

xW: thành phần cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy

r1:ẩn nhiệt hóa hơi của hôn hợp đi vào đĩa trên cùng của đoạn chưng

Ta có: GW = 93,3796 kmol/h

rA, rB : ẩn nhiệt hóa hơi của cấu tử nguyên chất ở to = tW

r’1 : ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp ra khỏi đoạn chưng

y’1 = yW xác định theo đường cân bằng ứng với xW = 0,0445 từ đồ thị x – y – t ⇒

( 9358 , 7979 )

/ ( 7384

,

86

) /

( 241 , 6927 )

/ ( 8108

,

88

kmol kcal

kg kcal r

kmol kcal

kg kcal r

= 181,2733 (kmol/h)

Từ (1’)⇒ G’ = g’ + G =181,2733+ 93,3796 = 274,6529 (kmol/h)

→

g’1 = 181,2733 kmol/ hG’1 = 274,6529 kmol/ hx’1 = 0,0844 phần mol

- Vậy lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng là

188 +

= 185,0367 (kmol/h)

- Lượng lỏng trung bình đi trong đoạn chưng

GtbC = 2

)(G1+G F +G1′

274,6529852

,1523725,

tb

tb xtb

a

ρ ρ

− +

[ kg/ m3 ]Trong đó :

= 0,662 (phần khối lượng)

a Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng trong đoạn luyện:

= 0,68445 (phần mol)Với xtbL = 0,68445 phần mol, từ đồ thị x – y – t ⇒ to

xtb = 87,0354oC Ứng với to

xtb = 87,0354oC, nội suy số liệu ở bảng I.2_STQTTB Tập I_9 ta được

a

ρ ρ

− +

662,0126106,

807

662,

tb

tb xtb

a

ρ ρ

− +

0 +

= 0,201 phần khối lượng Nồng độ trung bình của pha lỏng trong đoạn chưng

= 0,22375 phần mol Với xtbC = 0,22375 phần mol, từ đồ thị x – y – t ⇒ to

xtb =101,345 oC Ứng với to

xtbC = 101,345oC, nội suy số liệu ở bảng I.2_STQTTB Tập I_9 ta được

a

ρ ρ

− +

201,01286,791

201,

II.2Tính khối lượng trung bình của pha hơi:

a Khối lượng trung bình pha hơi ở đoạn luyện

.1

T

M y M

y tbL A + − tbL B

[ kg/ m3 ]Trong đó

MA, MB : khối lượng phân tử của rượu etylic và nước

T : nhiệt độ làm việc trung bình của tháp ( oK )

ytbL: Nồng độ trung bình pha hơi trong đoạn luyện

= 0,7731 phần mol

Từ bảng cân bằng lỏng hơi nội suy theo y – t ta được: ttbL=89,9850C

Khối lượng riêng trung bình của pha hơi đối với đoạn luyện là:

.1

T

M y M

,22

273.92.7731,0178.7731,0

+

−+

.4,22

273 1

= 0.34266 phần mol

Từ ytbC=0.34266 nội suy theo y ta được ttbC=103,0770C

Khối lượng riêng trung bình của pha hơi đối với đoạn chưng là:

.4,22

273 1

,22

273.92.34266,

0178.34266,0

+

−+

=2,826[kg/m3]

+

2

1σ

→ σ(ttbL) = 20,42 (dyn/cm)

σ(80oC) = 21,5 dyn/cmσ(120oC) = 17,3 dyn/cm (I – 301) → σ(ttbL)= 20,76 (dyn/cm)

⇒ = 20,42

1

+

76 , 20

= 1,6342 (kg/m.s) Đoạn chưng : t = 101,345oC