ĐỒ ÁN Tách hỗn hợp 2 cấu tử benzenetoluen bằng phương pháp chưng cất để đạt yêu cầu về nồng độ

Đồ án môn học GVHD: thầy Mai Thanh Phong MỤC LỤC : LỜI MỞ ĐẦU Chương : Tổng quan I : Lý thuyết chưng cất : : khái niệm: 2: Phương pháp chưng cất : 3: Thiết bị chưng cất II Giới thiệu nguyên liệu Chương 2: Quy trình cơng nghệ Chương : Tính tốn sơ I, Các thông số ban đầu: II xác định suất lượng , phần mol dòng sản phẩm đỉnh đáy 1, xác định thông số ban đầu: 2: Số đĩa lý thuyết: 17 3:Xác định số mâm thực tế: 17 3.1, tính lưu lượng dòng pha đoạn cất 17 3.2, Tính khối lượng riên trung bình đoạn cất: 18 3.2.1, xác định  ytb ( pha hơi) 18 3.2.2, Xác định  xtb ( pha lỏng) 19 3.2 3, Xác định ωgh 19 3.3 ,Tính lưu lượng dòng pha đoạn chưng 19 3.3.1, tính ρytb 20 3.3.2, Xác đinh ρxtb 20 3.3 3, Xác định ωgh , đường kính 21 Chương 4: Tính cân vật chất cân lượng 23 I, Cân nhiệt lượng cho thiết bị đun nóng dòng nhập liệu 23 II, Cân lượng cho toàn tháp 23 III, Cân lượng cho thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 24 Đồ án môn học GVHD: thầy Mai Thanh Phong IV, Nhiệt lượng cần thiết làm nguội sản phẩm đỉnh từ 80,5570C xuống 400C 25 V, cân thiết bị làm nguội sản phẩm đáy: 25 Chương : Trở lực tháp 27 I : Độ giảm áp pha khí qua mâm 27 1, Trở lực đĩa khô: 27 2, Trở lực sức căng bề mặt 28 3, Trở lực thủy tĩnh chất lỏng đĩa tạo 28 4: Kiểm tra ngập lụt cho tháp: 30 Chương 6: Tính tốn thiết bị : 32 I, Tính bề dày tháp 32 1, Tính bề dày tháp 32 2, kiểm tra độ bền cho thân chịu áp suất 33 3, Tính đáy nắp 33 4: Tính lớp cách nhiệt 34 5: Bích ghép thân đáy nắp 35 6, Tính tốn chân đỡ 35 7, tính tốn đường ống dẫn bích ghép ống dẫn 39 7.1, ống nhập liệu 39 7.2, Ống dẫn sản phẩm đáy: 40 7.3, Ống dẫn vào đáy tháp 40 7.4, Ống đỉnh tháp 41 7.5, Ống hoàn lưu 42 Chương 7: tính tốn thiết bị phụ 43 I, Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 43 1, Suất lượng nước làm lạnh 43 2, Hiệu nhiệt độ trung bình 43 3, Hệ số truyền nhiệt 43 3.1 : xác định hệ số câp nhiệt nước ống 44 3.2: Nhiệt tải qua lớp cáu thành ống 45 Đồ án môn học GVHD: thầy Mai Thanh Phong 3.3: hệ số cấp nhiệt phía dòng nóng ngồi ống: 45 3.4: hệ số truyền nhiệt 46 4: Bề mặt truyền nhiệt 46 II: thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 47 1, Nhiệt độ trung bình : 48 2, Xác định hệ số truyền nhiệt 49 2.1, Xác định hệ số cấp nhiệt dòng sản phẩm chảy ống 49 2.2 : Xác định hệ số cấp nhiệt dòng nước chảy phía ngồi ống 50 3: Bề mặt truyền nhiệt: 51 : chiều dài thiết bị 51 III: Thiết bị đun sôi đáy tháp 51 1, Chênh lệch nhiệt độ trung bình: 52 2, Suất lượng nước: 52 3: Hệ số truyền nhiệt 52 3.1 : Nhiệt tải qua thành ống lớp cáu 52 3.2 :Xác định hệ số cấp nhiệt phía sản phẩm đáy 53 3.3: Xác định hệ số cấp nhiệt đốt phía ống 54 3.4 : Bề mặt truyền nhiệt: 54 IV: thiết bị trao đổi nhiệt dòng nhập liệu sản phẩm đáy 55 1, Ta có cân lượng cho thiết bị: 55 2, Hiệu số nhiết độ trung bình : 56 3, Hệ số truyền nhiệt: 56 3.1, Xác định hệ số cấp nhiệt dòng sản phẩm ống 57 3.2, Xác định hệ số cấp nhiệt dòng nhập liệu ống 58 3.3 :Hệ số truyền nhiệt : 59 4: Bề mặt truyền nhiệt 59 5: Chiều dài thiết bị 60 V: Thiết bị đun sơi dòng nhập liệu: 60 1, Hệ số cấp nhiệt dòng nhập liệu ống 61 Đồ án môn học GVHD: thầy Mai Thanh Phong 2: Xác định hệ số cấp nhiệt đốt phía ống 62 3: Hệ số truyền nhiệt: 63 4: Diện tích bề mặt truyền nhiệt: 63 VI: Bơm 63 1: Tính suất bơm : 63 2: Tính cột áp 64 2.1: Tính tổng trở lực đường ống 65 2.1.1: Xác định hệ số ma sát ống hút ống đẩy 65 2.1.2: Xác định tổn thất cục ống hút 65 2.1.3: Xác định tổn thất cục ống đẩy: 66 2.2: Tổn thất thiết đun sơi dòng nhập 66 2.3 : Tổn thất cột áp thiết trao đổi dòng nhập với sản phẩm đáy 67 3: Công suất bơm 68 LỜI KẾT 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO : 69 Đồ án môn học GVHD: thầy Mai Thanh Phong LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, cơng nghệ hóa học ngành quan trong qúa trình phát triển cơng nghiệp đất nước Nhu cầu sử dụng hóa chất tăng cao Khả sử dụng hóa chất đánh giá mức độ phát triển nước Do yêu cầu chất lượng hóa chất đòi hỏi nhiều ngành cơng nghiệp Có nhiều phương pháp để tạo loại hóa chất đạt yêu cầu: đặc , trích ly, hấp thụ , chưng cất, Trong đồ án môn học này: với đề tài : tách hỗn hợp cấu tử benzenetoluen phương pháp chưng cất để đạt yêu cầu nồng độ Đồ án mơn học Q trình Thiết bị bước đầu giúp cho sinh viên làm quen với việc thiết kế q trình thiết bị cơng nghệ lĩnh vực Em xin chân thành cảm ơn thầy Mai Thanh Phong thầy cô mơn Q trình Thiết bị giúp em hoàn thành đồ án Tuy nhiên trình thực hiên khơng tránh khổi sai sót, em mong q thầy góp ý, dẫn Đồ án môn học GVHD: thầy Mai Thanh Phong Chương : Tổng quan I : Lý thuyết chưng cất : : 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 ( nghĩa nhiệt độ áp suất bão hòa cấu tử khác nhau) Thay đưa vào pha để tạo tạo tiếp xúc pha trình hấp thụ nhả khí q trình chưng cất pha tạo nên bốc tụ Chưng cất cô đặc giống nhau, nhiên khác trình chưng cất tất cấu tử bay với mức độ khác nhau, đặc có cấu tử bay dung môi ( nước ) chất tan khơng bay Trong chưng cất ta thu nhiều sản phẩm ( thường có cấu tử có nhiêu sản phẩm ) Nếu xét đơn giảm hệ cấu tử có sản phẩm : Sản phẩm đỉnh chủ yếu cấu tử có độ bay lớn ( nhiệt độ sôi nhỏ ) Sản phẩm đáy ;à cấu tử có độ bay ( nhiệt độ sôi lớn hơn) Đối với hệ Benzen -Toluen : Sản phẩm đỉnh chủ yếu Benzen có lẫn Tokuen Sản phầm đay Toluen có lẫ Benzen 2: Phương pháp chưng cất : Có nhiều cách phân loại chưng cất : - Theo áp suất việc : áp suất thấp,áp suất thường, áp suất cao Theo nguyên lý làm việc : chưng cấu tử , chưng lôi theo nước, chưng cất đa cấu tử Theo phương pháp cấp nhiệt đáy: cấp nhiệt trực tiếp, cấp nhiệt gián tiếp Đối với hệ Benzen – Toluen ta chọn cách cấp nhiệt gián tiếp Đồ án môn học GVHD: thầy Mai Thanh Phong 3: Thiết bị chưng cất Có nhiều loại thiết bị chưng cất khác sử dụng , nhiên thiết bị sử dụng phải có điểm chung diện tích bề mặt 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 tháp mâm, pha lỏng phân tán vào pha khí ta có tháp chêm , tháp phun…Ở ta khảo sát loại thường dùng tháp mâm tháp chêm - - Tháp mâm: thân hình trụ , thẳng , bên có lắp mâm , , pha pha lỏng tiếp xúc với Tùy theo cấu tạo đĩa ta có loại tháp :  Tháp mâm chóp: mâm bố trí dạng tròn , xupap,…  Tháp mâm xuyên lỗ :trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh Tháp đệm : thân hình trụ , gồm nhiều bậc nối với mặt bích hay hàn Vật chêm cho vào tháp theo hai phương pháp xếp ngẫu nhiên xếp trật tự So sánh ưu nhược điểm loại tháp Tháp chêm Thấp mâm xuyên lỗ Tháp chóp Ưu điểm - Cấu tạo đơn giản , - Trở lực tương - Khá ổn định, trở lực thấp đôi thấp, hiệu hiệu suất - Làm việc với chất lỏng suất cao cao bẩn nên dùng đệm cầu có ρ≈ρ lỏng Nhược - Do hiệu ứng thành, - Kết cấu - Trở lực lớn diểm hiệu suất truyền khối phức tạp - Tiêu tốn thấp - Không làm nhiều vật tư, - Độ ổn định không cao , việc với kết cấu phức khó vận hành chất lỏng tạp - Khi tăng suất bần hiệu ứng thành tăng lên nên khó tăng suất - Thiết bị nặng Trong báo cáo ta sử dụng mâm xuyên lỗ để thực chưng cất Benzen-Toluen II Giới thiệu nguyên liệu Benzen: hợp chất hữu có cơng thức hóa học C6H6 , chất hydrocacbon thơm Ở điều kiện bình thường benzene chất khơng màu , có mùi dễ chịu, dễ cháy, benzene không phân cực nên khơng tan nước rượu, benzene có khả cháy tạo CO2 H2O, đặc biệt có sinh muội than Benzen chất độc với hàm lượng Đồ án môn học GVHD: thầy Mai Thanh Phong nhỏ khoảng 1ppm gây bệnh bạch cầu, gây vơ sinh.Các tính chất vật lý benzene: Khối lượng phân tử : MB= 78,11 g/mol Nhiệt độ đông đặc : 5,50C Nhiệt độ sôi : 80,10C Tỷ trọng : 0,8791 g/cm3 Phương thức sản xuất: CH4 đưa lên nhiệt độ 15000C sau làm lạnh nhanh tạo C2H2 Từ C2H2 thực phản ứng tam hợp 6000C CH4 C2H2 C6H6 Đi từ khí thiên nhiên: thu hồi phương pháp chưng cất than đá hay dầu mỏ Đóng vòng đề hydro hóa ankane nhiệt độ cao có xúc tác Cr2O3 , kim loại Pt CH3(CH2)4CH3  C6H6 +4H2 Toluen: hay gọi methybenzen hay phenylmetan, chất lỏng suốt, không tan nước toluen dung môi hữu sử dụng cơng nghiệp Nhờ có nhóm –CH3 mà độ hoạt động hóa học toluene tăng lên 25 lần so với benzene Là chất vòng thơm bền độc benzene Các tính chất vật lý toluene: Khối lượng phân tử : Mt= 92,13 g/mol Tỷ trong: 0,866 g/cm3 Nhiệt độ sôi : 1110C Nhiệt độ nóng chảy : -950C Các phương pháp điều chế toluene  C7H8 +HCl với xúc tác AlCl3 Đi từ benzene C6H6 +CH3Cl Hỗn hợp Benzen-toluen Bảng thành phần hỗn hợp cân benzene – toluene phần lỏng x , phần y, nhiệt độ sôi bên- toluene 760mmHg x 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 (phần Đồ án môn học GVHD: thầy Mai Thanh Phong mol) y(phần mol) T( oC) 11,8 21,4 38 51,1 61,9 71,2 79 85,4 91 95,9 100 110,6 108,3 106,1 102,2 98,6 95,2 92,1 89,4 86,8 84,4 82,3 80,2 Đồ án môn học GVHD: thầy Mai Thanh Phong Chương 2: Quy trình công nghệ Hỗn hợp ban đầu 36% khối lượng đưa vào bình chứa nhiên liệu(2), sau bơm(1) bơm vào thiết bị trao đổi nhiệt sản phẩm đáy nhập liệu(4), từ nguyên liệu đưa vào thiết bị đun sơi dòng nhập liệu(5) , sản phẩm đỉnh đưa đến nhiệt độ sôi đưa vào đĩa nhập liệu tháp (7) Dòng lỏng chuyển động từ đĩa nhập liệu xuống kết hợp với dòng sản phẩm đỉnh hồi lưu ( hồi lưu sản phẩm đỉnh để tránh tháp bị khô) tiếp xúc trao đổi với dòng từ lên , Pha lỏng chuyển độngtừ xuống nồng độ cấu tử dễ bay giảm dòng từ lên có nòng độ cấu tử dễ bay tăng Càng lên cao nhiệt độ tháp giảm nên qua đĩa từ lên cấu tử khó bay toluene ngưng tụ lại rớt xuống , cuối ta thu sản phẩm đỉnh có nồng độ cấu tử dễ bay chiếm tỷ lệ benzene cao ( 98% khối lượng ) Hơi sản phẩm đỉnh vào thiết bị ngưng tụ(8) ngưng tụ hoàn toàn, phần sản phẩm đỉnh vào thiết bị làm nguội thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh(10), phần hoàn lưu lại tháp vơi tỷ số hồn lưu thích hợp điều chỉnh lưu lượng kế Nồng độ cấu tử khó bay chất lỏng ngày cao cuối ta thu sản phẩm đáy có nồng độ cấu tử khó bay hầu hết với nồng độ toluene 1,5% Dung dịch khỏi đáy tháp trao đổi với dòng nhập liệu Hệ thống làm việc chế độ liên tục Đồ án môn học GVHD: thầy Mai Thanh Phong Vậy diện tích ống truyền nhiệt F1ong   L dtr  d ng   0, 032  0, 038  0, 7696m2 Số ống truyền nhiệt : n = F/F1ong=426,36/0,7696=554 ống Chọn n=547 ống (trang 48 STQTTB[2] ) Ta có bước ống t=1,3dng=1,3.0,038=0,0494 a=14: số ống cạnh hình cạnh ngồi b=2a-1=2.14-1=27 (số ống đường chéo hình cạnh) Dó đường kính thiết bị D=t(b-1)+4dng=0,0494.(27-1)+4.0,038=0,646m chọn D=1,43 m chọn D=1,5m IV: thiết bị trao đổi nhiệt dòng nhập liệu sản phẩm đáy Chọn thiết bị kiểu vỏ ống nằm ngang Ống truyền nhiệt làm thép hợp kim X18H10T có kích thước ống : 38x3 Cho dòng sản phẩm đáy ống, dòng nhập liệu ngồi ống Đường kính ngồi dng=0,038m Bề dày ơng : δV=0,003m Đường kính dtr=0,032m Nhiệt trở lớp bẩn ống: r1=0,387.10-3 (m2.độ/W) Nhiệt trở lớp bẩn ống r2 =0,464.10-3 (m2.độ/W) Hệ số dẫn nhiệt thép X18H10T: 17,5 Chọn : Nhiệt độ sản phẩm đáy: tWv=109,780C ; tWr=650C Nhiệt độ nhập liệu: tFv=250C 1, Ta có cân lượng cho thiết bị: Q  F CF (tFr  tFv )  W.CW (tWv  tWr ) Nhiệt độ trung bình sản phẩm đáy : benzen toluen ttbday  tWr  tWv 109, 78  65   87,390 C 2 Hỗn hợp Tra 55 Đồ án môn học GVHD: thầy Mai Thanh Phong C (j/kg.độ) 2066,4 2013,25 2014,05 I.153 trang 171[I] ρ( kg/m3) 828,24 800,61 801,02 I.2 trang 9[I] λ (W/m2.độ ) 0,1294 0,12148 0,1216 I.130 trang 134[I] μ ( N.s/m2) 2,96.10-4 3,01.10-4 3,01.10-4 I.101 trang 91[I] β (1/độ ) 1,392.10-3 1,273.10-3 1,275.10-3 Bảng 34 trang 31 bảng tra qt học TN-TK Do : Pr  C.  2014, 05.0,301.103  4,99 0,1216  Vậy: Q=9637,305.2014,05.(109,78-65)/3600=241439,3 (W) Đối với dòng nhập liệu : giả sử nhiệt độ dòng nhập liệu tFr=500C Nhiệt độ trung bình dòng nhập liệu tFtb=(50+25)/2=37,50C Tại nhiệt độ CB=1813,125(J/kg.độ ) ; CT=1788,75(J/kg.độ ) xF  0,36 Chh=1797,525 (J/kg.độ ) tFr  Nhiệt độ thực tế dòng Q 241439,3.3600  tFv   25  57, 230 C F CF 15000.1797,525 2, Hiệu số nhiết độ trung bình : tlog  (109, 78  57, 23)  (65  25)  45,980 C 109, 78  57, 23 ln 65  25 3, Hệ số truyền nhiệt: K 1 F   rt  (W / m2 K ) W αF : hệ số cấp nhiệt nhập liệu (W/m2K) αW : hệ số cấp nhiệt dòng sản phẩm đáy.(W/m2K) Σrt=1,022.10-3 (K.m2/W): tổng trở qua thành cáu 56 Đồ án môn học GVHD: thầy Mai Thanh Phong 3.1, Xác định hệ số cấp nhiệt dòng sản phẩm ống chọn Re=2000 suy v Re. 2000.3, 01.104   0, 0235m / s  dtr 801, 02.0, 032 với vận tốc số ống truyền nhiệt cần có : n W 9637,3   177 ống 3600.0, 785.dtr v. 3600.0, 785.0, 0322.0, 0235.801, 02 Chọn n=217 ( trang 48 STQTTB[2] ) Ta có bước ống t=1,3dng=1,3.0,038=0,0494 a=9: số ống cạnh hình cạnh ngồi Số hình cạnh= 8( hình) b=2a-1=2.9-1=17 (số ống đường chéo hình cạnh) Vây đường kính thiết bị D=t(b-1)+4dng=0,0494.(17-1)+4.0,038=0,9424m chọn D=1m suy : dtd  D  n.d ng2 D  n.d ng  12  217.0, 0382  0, 0742m  217.0, 038 Với n=217 ống vận tốc thực dòng sản phẩm đáy ống : Chuẩn số Re thực : Re  v.dtr    0, 019.0, 032.801, 02  1631,556 < 2000 : chế độ chảy dòng 3, 01.104 Cơng thức tính Nu : Nu  0,151.Re 0,33 Pr 0,43  Pr  Gr    Prt  0,1 0,25 (công thức V.45 trang 17 STQTTB[II]) Chọn Ɛ=1 , Prt : Prant nhiệt độ vách Với : Gr 0,1  g.dtd3   t1    2   0,1 57 Đồ án môn học GVHD: thầy Mai Thanh Phong Stt Chọn Δt1 tw1 Prt Gr0,1 Nu α q 12 75,39 5,26 7,3 24,8 94,2 1130,4 14 73,39 5,32 7,42 25,1 95,4 1335,6 15,2 72,19 5,36 7,48 25,3 96 1459,2 Với:  W  Nuw w (W / m2 K ) dtr 3.2, Xác định hệ số cấp nhiệt dòng nhập liệu ngồi ống Nhiệt độ trung bình dòng nhập liệu: ttbF  tFr  tFv 25  57, 236   41,1180 C 2 Tại nhiệt độ ta có thông số sau: benzen Toluene Hỗn hợp Tra μ (N.s/m2) 0,486.10-3 0,461.10-3 0,47.10-3 I.101 trang 91 λ (W/m2.độ ) 0,1397 0,1308 0,134 I.130 trang 134 C (J/kg.độ) 1830,87 1805,6 1814,7 I.153 trang 171 β (K-1) 1,262.10-3 1,11.10-3 1,177.10-3 Bảng 34 trang 31 bảng tra qt học TN-TK ρ (kg/m3) 856,77 845,9 849,837 I.2 trang Chuẩn số Pr: C. 1814, 7.0, 47.103 Pr    6,365  0,134 Vận tốc dòng chảy ống : v F 15000   5, 22.103 m / s 2 3600.0, 785.dtd n. 3600.0, 785.0, 07426 217.849,837 Chuẩn số Reynolds: v.d  5, 22.103.0, 07426.849,837 Re  td F   701