THIẾT kế THÁP mâm CHÓP CHƯNG cất THU hồi BENZEN TULUEN

ĐAMH Q trình & Thiết bị BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc TRƯỜNG Thành phố Hồ Chí Minh Khoa: Bộ môn: Quá trình Thiết bò ĐỒ ÁN MÔN HỌC: ĐỒ ÁN MÔN HỌC QT&TB Họ tên sinh viên: Lớp: B Ngành (nếu có): Đầu đề đồ án: Thiết kế tháp mâm chóp chưng cất hỗn hợp Benzen – Toluen có suất 200 l/h tính theo sản phẩm đỉnh Nhiệm vụ (nội dung yêu cầu số liệu ban đầu): Nồng độ nhập liệu: F = 40%phần khối lượng - Nồng độ sản phẩm đỉnh: D = 98% phần khối lượng - Nồng độ sản phẩm đáy: W - Nguồn lượng thông số khác tự chọn = 1% phần khối lượng Nội dung phần thuyết minh tính toán: Xem phần mục lục Các vẽ đồ thò (loại kích thước vẽ): Gồm vẽ A1: vẽ quy trình công nghệ vẽ chi tiết thiết bò Ngày giao đồ án: Ngày hoàn thành đồ án: Ngày bảo vệ hay chấm: CHỦ NHIỆM BỘ MÔN (Ký ghi rõ họ tên) Ngày tháng năm NGƯỜI HƯỚNG DẪN (Ký ghi rõ họ tên) Trang ĐAMH Q trình & Thiết bị NHẬN XÉT ĐỒ ÁN Cán hướng dẫn Nhận xét: Điểm: _ Chữ ký: Cán chấm hay Hội đồng bảo vệ Nhận xét: Điểm: _ Chữ ký: Điểm tổng kết: Trang ĐAMH Q trình & Thiết bị LỜI MỞ ĐẦU Khoa học kỹ thuật ngày phát triển đóng góp to lớn cho cơng nghiệp nƣớc ta nói riêng giới nói chung Một ngành có đóng góp vơ to lớn ngành cơng nghiệp hố học, đặc biệt ngành sản xuất hố chất Hiện nay, ngành cơng nghiệp cần sử dụng nhiều hố chất có độ tinh khiết cao Nhu cầu đặt cho nhà sản xuất hố chất sử dụng nhiều phƣơng pháp để nâng cao độ tinh khiết sản phẩm nhƣ : trích ly, chƣng cất, đặc, hấp thu … Tuỳ theo đặc tính u cầu sản phẩm mà ta có lựa chọn phƣơng pháp cho phù hợp Đối với hệ benzen – toluen hệ cấu tử tan lẫn vào nhau, ta chọn phƣơng pháp chƣng cất để nâng cao độ tinh khiết cho benzen Đồ án mơn học Q trình & Thiết bị mơn học mang tính tổng hợp q trình học tập kỹ sƣ Cơng nghệ Hố học tƣơng lai Mơn học giúp sinh viên tính tốn cụ thể : quy trình cơng nghệ, kết cấu, giá thành thiết bị sản xuất hố chất - thực phẩm Đây lần sinh viên đƣợc vận dụng kiến thức học để giải vấn đề kỹ thuật thực tế cách tổng hợp Nhiệm vụ đồ án thiết kế tháp mâm chóp để chƣng cất hỗn hợp Benzen – Toluen áp suất thƣởng với suất theo sản phẩm đỉnh(Benzene) 200 lít/h có nổng độ 98% phần khối lƣợng benzen, nồng độ sản phẩm đáy 99% khối lƣợng Toluene,Nồng độ nhập liệu 40% khối lƣợng Benzene, nhập liệu trạng thái lỏng sơi Trang ĐAMH Q trình & Thiết bị MỤC LỤC Lời mở đầu CHƯƠNG : TỔNG QUAN I Lý thuyết chưng cất II Giới thiệu sơ ngun liệu CHƯƠNG : QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ CHƯƠNG : CÂN BẰNG VẬT CHẤT 10 I Các thông số ban đầu 10 II Xác đònh suất lượng sản phẩm đỉnh sản phẩm đáy thu 10 III Xác đònh tỉ số hoàn lưu làm việc 11 IV Xác đònh phương trình đường làm việc – Số mâm lý thuyết 13 V Xác đònh số mâm thực tế 14 CHƯƠNG : TÍNH TOÁN THÁP CHƯNG CẤT 16 I Đường kính đoạn cất 16 II Đường kính đoạn chưng 18 III Trở lực tháp 20 CHƯƠNG : CÂN BẰNG NHIỆT LƢỢNG 22 I Cân nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 22 II Cân nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt nhập liệu 22 III Cân nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đáy 22 IV Cân nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 22 V Nhiệt lượng cung cấp cho đáy tháp 23 CHƢƠNG 6: TÍNH TỐN CƠ KHÍ 24 I Tính tốn thân tháp 24 II Tính tốn chóp 24 III Tính tốn đáy nắp thiết bị 25 IV Bích ghép thân 26 V Đường kính ống dẫn – Bích ghép ống dẫn 28 VI Chân đỡ - tai treo 31 CHƯƠNG : TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHU 33 I Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 33 II Thiết bò đun sôi đáy tháp 36 III Thiết bò làm nguôïi sản phẩm đỉnh 39 IV Thiết bò làm nguội sản phẩm đáy 43 V Thiết bị đun sơi nhập liệu 47 VI Bồn cao vị 50 VII Bơm 52 Trang ĐAMH Q trình & Thiết bị Kết luận 54 Tài liệu tham khảo 54 Trang ĐAMH Q trình & Thiết bị Chƣơng : TỔNG QUAN I LÝ THUYẾT VỀ CHƢNG CẤT : Khái niệm : - Chƣng cất q trình dùng để tách cấu tử hỗn hợp lỏng nhƣ hỗn hợp khí lỏng thành cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay khác cấu tử hỗn hợp (nghĩa nhiệt độ, áp suất bão hồ cấu tử khác nhau) - Thay đƣa vào hỗn hợp pha để tạo nên tiếp xúc hai pha nhƣ q trình hấp thu nhả khí, q trình chƣng cất pha đƣợc tạo nên bốc ngƣng tụ - Chƣng cất đặc giống nhau, nhiên khác q trình q trình chƣng cất dung mơi chất tan bay (nghĩa cấu tử diện hai pha nhƣng với tỷ lệ khác nhau), q trình đặc có dung mơi bay chất tan khơng bay - Khi chƣng cất ta thu đƣợc nhiều cấu tử thƣờng cấu tử thu đƣợc nhiêu sản phẩm Nếu xét hệ đơn giản có cấu tử ta thu đƣợc sản phẩm :  Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay lớn (nhiệt độ sơi nhỏ)  Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay nhỏ (nhiệt độ sơi lớn) - Đối với hệ Benzen – Toluen  Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm benzen toluen  Sản phẩm đáy chủ yếu toluen benzen Phƣơng pháp chƣng cất : Các phƣơng pháp chƣng cất đƣợc phân loại theo : - Áp suất làm việc :  Áp suất thấp  Áp suất thƣờng  Áp suất cao  Ngun tắc làm việc : dựa vào nhiệt độ sơi cấu tử, nhiệt độ sơi cấu tử q cao ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sơi cấu tử - Ngun lí làm việc :  Chƣng bậc  Chƣng lơi theo nƣớc  Chƣng cất - Cấp nhiệt đáy tháp :  Cấp nhiệt trực tiếp  Cấp nhiệt gián tiếp Vậy : Đối với hệ Benzen – Toluen, ta chọn phƣơng pháp chƣng cất liên tục áp suất thƣờng Thiết bị chƣng cất : Trong sản xuất, ngƣời ta thƣờng dùng nhiều loại thiết bị khác để tiến hành chƣng cất Tuy nhiên, u cầu chung thiết bị giống nghĩa diện tích tiếp xúc pha phải lớn Điều phụ thuộc vào mức độ phân tán lƣu chất vào lƣu 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 loại thƣờng dùng tháp mâm tháp chêm Trang ĐAMH Q trình & Thiết bị  Tháp mâm : thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía có gắn mâm có cấu tạo khác nhau, pha lỏng pha đƣợ cho tiếp xúc với Tuỳ theo cấu tạo đĩa, ta có : - Tháp mâm chóp : mâm bố trí có chóp dạng tròn, xupap, … - Tháp mâm xun lỗ : mâm có nhiều lỗ hay rãnh  Tháp chêm (tháp đệm) : tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối với mặt bích hay hàn Vật chêm đƣợc cho vào tháp theo hai phƣơng pháp sau : xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự So sánh ƣu nhƣợc điểm loại tháp : Ƣu điểm Nhƣợc điểm Tháp chêm Tháp mâm xun lỗ Tháp chóp - Cấu tạo đơn giản - Trở lực thấp - Làm việc đƣợc với chất lỏng bẩn dùng đệm cầu có    chất lỏng - Do có hiệu ứng thành  hiệu suất truyền khối thấp - Độ ổn định khơng cao, khó vận hành - Do có hiệu ứng thành  tăng suất hiệu ứng thành tăng  khó tăng suất - Thiết bị nặng nề - Trở lực tƣơng đối thấp - Hiệu suất cao - Khá ổn định - Hiệu suất cao - Khơng làm việc đƣợc - Có trở lực lớn với chất lỏng bẩn - Tiêu tốn nhiều - Kết cấu phức tạp vật tƣ, kết cấu phức tạp Vậy :qua phân tích ta sử dụng tháp mâm chóp để chƣng cất hệ Benzen – Toluen II GIỚI THIỆU VỀ NGUN LIỆU : Benzen & Toluen : Benzen: hợp chất mạch vòng, dạng lỏng khơng màu có mùi thơm nhẹ.Cơng thức phận tử C6H6 Benzen khơng phân cực,vì tan tốt dung mơi hữu khơng phân cực tan nƣớc Trƣớc ngƣời ta thƣờng sử dụng benzen làm dung mơi Tuy nhiên sau ngƣời ta phát nồng độ benzen khơng khí cần thấp khoảng 1ppm có khả gây bệnh bạch cầu, nên ngày benzen đƣợc sử dụng hạn chế Các tính chất vật lí benzen: o Khối lƣợng phân tử: 78,11 o Tỉ trọng(200C): 0,879 o Nhiệt độ sơi: 80oC o Nhiệt độ nóng chảy: 5,50C Toluen: hợp chất mạch vòng,ở dạng lỏng có tính thơm ,cơng thức phân tử tƣơng tự nhƣ benzen có gắn thêm nhóm –CH3 Khơng phân cực,do toluen tan tốt benzen.Toluen có tính chất dung mơi tƣơng tự benzen nhƣng độc tính thấp nhiều, nên ngày thƣờng đƣợc sử dụng thay benzen làm dung mơi phòng thí nghiệm cơng nghiệp Các tính chất vật lí toluen: o Khối lƣợng phân tử : 92,13 o Tỉ trọng (20oC) : 0,866 o Nhiệt độ sơi : 111oC Trang ĐAMH Q trình & Thiết bị o Nhiệt độ nóng chảy : -95 oC Các phƣơng thức điều chế : o Đi từ nguồn thiên nhiên Thơng thƣờng hidrocacbon đƣợc điều chế phòng thí nghiệm, thu đƣợc lƣợng lớn phƣơng pháp chƣng cất than đá, dầu mỏ… o Đóng vòng dehiro hóa ankane o Các ankane tham gia đóng vòng dehidro hóa tạo thành hidro cacbon thơm nhiệt độ cao có mặt xúc tác nhƣ Cr2O3, hay lim loại chuyển tiếp nhƣ Pd, Pt 2O3 / Al 2O3 CH3(CH2)4CH3 Cr    C6H6 o Dehidro hóa cycloankane Các cycloankane bị dehidro hóa nhiệt độ cao với có mặt xúc tác kim loại chuyển tiếp tạo thành benzen hay dẫn xuất cảu benzen Pd C6H12 Pt/  C6H6 o Đi từ acetylen Đun acetane có mặt cảu xúc tác than hoạt tính hay phức niken nhƣ Ni(CO)[(C6H5)P] thu đƣợc benzen xt 3C2H2  C6H6 o Từ benzen ta điều chế đƣợc dẫn xuất benzen nhƣ toluen phản ứng Friedel-Crafts (phản ứng ankyl hóa benzen dẫn xuất ankyl halide với có mặt cảu xúc tác AlCl3 khan AlCl3 C6H6 + CH3- Cl   C6H5-CH3 Hỗn hợp benzen – toluen : Ta có bảng thành phần lỏng (x) – (y) nhiệt độ sơi hỗn hợp Benzen – Toluen 760 mmHg.(Tham khảo STT1) x (% phân mol) y (% phân mol) t (oC) 0 110,6 11,8 108,3 10 21,4 106,1 20 38 102,2 30 51,1 98,6 40 61,9 95,2 50 71,2 92,1 60 79 89,4 70 85,4 86,8 80 91 84,4 90 95,9 82,3 100 100 80,2 Trang ĐAMH Q trình & Thiết bị Chƣơng : QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ Hỗn hợp Benzen – Toluen có nồng độ Benzen 40% (phần khối lƣợng), nhiệt độ ngun liệu lúc đầu 300C bình chứa ngun liệu (1), đƣợc bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3) Dòng nhập liệu đƣợc gia nhiệt tới nhiệt độ sơi thiết bị truyền nhiệt ống chùm Sau hỗn hợp đƣợc đƣa vào tháp chƣng cất (6) đĩa nhập liệu bắt đầu q trình chƣng cất Lƣu lƣợng dòng nhập liệu đƣợc kiểm sốt qua lƣu lƣợng kế (14) Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng đƣợc trộn với phần lỏng từ đoạn luyện tháp chảy xuống Trong tháp, dƣới lên gặp lỏng từ xuống Ở có tiếp xúc trao đổi hai pha với Pha lỏng chuyển động phần chƣng xuống phía dƣới giảm nồng độ cấu tử dễ bay bị pha tạo nên từ nồi đun (10) lơi cấu tữ dễ bay Nhiệt độ lên thấp, nên qua đĩa từ dƣới lên cấu tử có nhiệt độ sơi cao toluen ngƣng tụ lại, cuối đỉnh tháp ta thu đƣợc hỗn hợp có cấu tử benzen chiếm nhiều (nồng độ 98% phần khối lƣợng) Hơi vào thiết bị ngƣng tụ (7) đƣợc ngƣng tụ hồn tồn Một phần chất lỏng ngƣng tụ qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (8), đƣợc làm nguội thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống(8) đƣợc đƣa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh (9) Phần lại chất lỏng ngƣng tụ đƣợc hồn lƣu tháp đĩa với tỉ số hồn lƣu thích hợp đƣợc kiểm sốt lƣu lƣợng kế(5) Cuối đáy tháp ta thu đƣợc hỗn hợp lỏng hầu hết cấu tử khó bay (Toluen) Hỗn hợp lỏng đáy có nồng độ Toluene 99% phần khối lƣợng, lại Benzene 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 đƣợc cho qua thiết bị làm nguội sản phẩm đáy (13) vào thiết bị làm nguội sản phẩm đáy(13) sau vào bồn chứa sản phẩm đáy(12) Hệ thống làm việc liên tục cho sản phẩm đỉnh Benzen, sản phẩm đáy Toluen Trang ĐAMH Q trình & Thiết bị Chƣơng : CÂN BẰNG VẬT CHẤT I CÁC THƠNG SỐ BAN ĐẦU : Chọn loại tháp tháp mâm chóp Khi chưng luyện hỗn hợp Benzen - Toluen cấu tử dễ bay Benzen Benzen : C6 H  M B  78 g / mol Hỗn hợp:  Toluen : C6 H 5CH  M T  92 g / mol  Năng suất sản phẩm đỉnh : D = 200l/h  Nồng độ nhập liệu : xF = 40% phân khối lƣợng  Nồng độ sản phẩm đỉnh : xD = 98% phân khối lƣợng  Nồng độ sản phẩm đáy: xW = 99% phân khối lƣợng  Nhiệt độ nhập liệu: nhập liệu trạng thái lỏng sơi  Chọn:  Nhiệt độ nhập liệu: tFV = 94oC  Nhiệt độ sản phẩm đáy sau làm nguội: tWR = 35oC  Nhiệt độ dòng nước lạnh vào: tV = 30oC  Nhiệt độ dòng nước lạnh ra: tR = 40oC  Các ký hiệu:  F , F: suất lượng nhập liệu tính theo kg/h, kmol/h  D , D: suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo kg/h, kmol/h  W , W: suất lượng sản phẩm đáy tính theo kg/h, kmol/h  xi, xi : nồng độ phần mol, phần khối lượng cấu tử i II XÁC ĐỊNH SUẤT LƯNG DỊNG NHẬP LIỆU VÀ DỊNG SẢN PHẨM ĐÁY: MF =xF.MB + (1-xF).MT = 0,4.78 + (1-0.4).92 = 86.4 kg/kmol MD =xD.MB + (1- xD).MT = 0,98.78 + (1-0,98).92 = 78.28 kg/kmol MW =xW.MB + (1- xW).MT = 0,01 78 + (1-0,01).92 =91,86 kg/kmol xF 0,4 MB 78 xF    0,44 ,  0,4 xF  xF   78 92 MB MT xW xW 0,01 MB 78    0,012 , 01  0,01 xW  xW   78 92 MB MT Trang 10 ... lỏng ta có loại tháp mâm, pha lỏng phân tán vào pha khí ta có tháp chêm, tháp phun, …Ở ta khảo sát loại thƣờng dùng tháp mâm tháp chêm Trang ĐAMH Q trình & Thiết bị  Tháp mâm : thân tháp hình trụ,... đĩa lý thuyết là14.56 đĩa, ta lấy tròn 15 Từ đồ thò, ta có : 15 đĩa bao gồm : mâm cất mâm nhập liệu mâm chưng (5 mâm chưng + nồi đun) Tóm lại, số đĩa lý thuyết Nlt = 15 mâm V XÁC ĐỊNH SỐ MÂM THỰC... phía có gắn mâm có cấu tạo khác nhau, pha lỏng pha đƣợ cho tiếp xúc với Tuỳ theo cấu tạo đĩa, ta có : - Tháp mâm chóp : mâm bố trí có chóp dạng tròn, xupap, … - Tháp mâm xun lỗ : mâm có nhiều