ngành cơng nghệ hóa học Hiện nhiều ngành sản xuất hóa chất sử dụng sản phẩm hóa học ,nhu cầu sử dụng nguyên liệu sản phẩm có độ tinh khiết cao phải phù hợp với quy trình sản xuất nhu cầu sử dụng Ngày phương pháp sử dụng để nâng cao độ tinh khiết trích ly ,chưng cất ,cơ đặc hấp thu Tùy theo đặc tính yêu cầu sản phẩm mà ta có lựa chọn phương pháp thích hợp Đối với hệ Benzen – Toluen hai cấu tự hòa tan vào có nhiệt độ sơi khác nên ta chọn phương pháp chưng cất tách cấu tử hỗn hợp thu benzen có độ tinh khiết cao Đồ án môn học thiết bị mơn học mang tính tổng hợp q trình học tập kỹ sư hóa học tương lai Mơn học giúp sinh viên giải tính tốn cụ thể u cầu cơng nghệ ,kết cấu điều kiện vận hành ,giá thành thiết bị sản xuất hóa ,thực phẩm.Đây bước để sinh viên vận dụng kiến thức học để giải vấn đề kỹ thuật thực tế cách tổng quát Nhiệm vụ môn học thiết kế tháp chưng cất hệ benzen toluen hoạt động liên tục với suất nhập liệu 1500kg/h ,có nồng độ 25%mol benzen ,thu sản phẩm đỉnh có nồng độ 94% mol benzen sản phẩm đáy có nồng độ 3%mol benzen
Lời nói đầu Một ngành có đóng góp to lớn đến cơng nghiệp nước ta nói riêng giới nói chung ngành cơng nghệ hóa học Hiện nhiều ngành sản xuất hóa chất sử dụng sản phẩm hóa học ,nhu cầu sử dụng nguyên liệu sản phẩm có độ tinh khiết cao phải phù hợp với quy trình sản xuất nhu cầu sử dụng Ngày phương pháp sử dụng để nâng cao độ tinh khiết trích ly ,chưng cất ,cơ đặc hấp thu Tùy theo đặc tính yêu cầu sản phẩm mà ta có lựa chọn phương pháp thích hợp Đối với hệ Benzen – Toluen hai cấu tự hòa tan vào có nhiệt độ sơi khác nên ta chọn phương pháp chưng cất tách cấu tử hỗn hợp thu benzen có độ tinh khiết cao Đồ án môn học thiết bị mơn học mang tính tổng hợp q trình học tập kỹ sư hóa học tương lai Mơn học giúp sinh viên giải tính tốn cụ thể u cầu cơng nghệ ,kết cấu điều kiện vận hành ,giá thành thiết bị sản xuất hóa ,thực phẩm.Đây bước để sinh viên vận dụng kiến thức học để giải vấn đề kỹ thuật thực tế cách tổng quát Nhiệm vụ môn học thiết kế tháp chưng cất hệ benzen toluen hoạt động liên tục với suất nhập liệu 1500kg/h ,có nồng độ 25%mol benzen ,thu sản phẩm đỉnh có nồng độ 94% mol benzen sản phẩm đáy có nồng độ 3%mol benzen Em chân thành cảm ơn thầy mơn hóa học thực phẩm ,các bạn sinh viên giúp em hồn thành đồ án Tuy nhiên q trình làm khơng tránh sai xót ,rất mong q thầy góp ý ,chỉ dẫn để em hồn thành tốt Lời mở đầu: MỤC LUC :………………………………………………………………………1 ĐỒ ÁN : …………………………………………………………………………3 Đầu đề đồ án: ………………………………………………………….… Nhiệm vụ đồ án :………………………………………………………… 3 Nội dung phần thuyết minh tính tốn : …………………………… Các vẽ đồ thị : …………………………………………………… CHƯƠNG I: TỔNG QUAN…………………………………………………… Khái niệm : …………………………………………………………………5 Phương pháp chưng cất :…………………………………………….…… CHƯƠNG II: SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ VÀ THUYẾT MINH CHI TIẾT SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ…………………….11 CHƯƠNG III: CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG………………………………………… 13 Cân vật chất : ………………………………………………………14 Cân lượng : ……………………………………………… …15 CHƯƠNG IV : TÍNH TỐN THIẾT BỊ CHÍNH : ……………………………30 Tính đường kinh tháp : …………………………………………… ……30 Chiều cao thân tháp : ………………………………………………….…39 Tính trở lực tháp : ……………………………………………… …40 Tính thân tháp chưng cất : ………………………………………….……50 Đáy nắp thiết bị : ……………………………………………… … 56 Chi tiết ống dẫn : ……………………………………………………… 58 Chọn bích vịng đệm : ……………………………………… ……….63 Tai treo – Chân đỡ : ……………………………………………… ……52 CHƯƠNG V :TÍNH TỐN THIẾT BỊ PHỤ : ……………………………… 69 Thiết bị làm ngưng tụ : ………………………………….……………… 69 Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy : …………………………………… 76 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh : …………………………………… 79 Thiết bị nồi đun : ………………………………………………………….81 Thiết bị đun sơi dịng nhập liệu : ……………………………………… 86 Bơm : ………………………………………………………………… …92 TÀI LIỆU THAM KHẢO : ………………………………………………… …95 TRƯỜNG ĐH CƠNG NGHỆ THỰC PHẨM Tp Hồ Chí Minh Khoa: CƠNG NGHỆ HĨA HỌC CỘNG HỊA Xà HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc Bộ Mơn: QT&TB CNHH-SH-TP ĐỒ ÁN MƠN HỌC: Q trình&Thiết bị - Mã số: 24 Đầu đề đồ án (Tên đồ án ) _ Thiết kế tháp chưng cất hỗn hợp Benzen-Tolune 1500kg nhập liệu/h Nhiệm vụ đồ án ( nội dung yêu cầu số liệu ban đầu ): _ Nồng độ nhập liệu : 25% mol benzen _ Sản phẩm đỉnh: 94% mol benzen _ Sản phẩm đáy: 3% mol benzen _ Tháp mâm chóp _ Các thông số khác tự chọn Nội dung phần thuyết minh tính tốn: _ Tổng quan _ Cân vật chất _ Cân lượng _ Tính kích thước tháp, mâm _ Kết cấu tháp _ Tính thiết bị phụ _ Vẽ sơ đồ nguyên lý _ Thuyết minh chi tiết sơ đồ nguyên lý _ Vẽ sơ đồ thiết bị có thích vẽ Các vẽ đồ thị ( loại kích thước vẽ ): _ vẽ A1 in sơ đồ nguyên lý _ vẽ A1 tháp chưng CHƯƠNG I: TỔNG QUAN ( 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 hoà cấu tử khác nhau) - Thay đưa vào hỗn hợp pha để tạo nên tiếp xúc hai pha q trình hấp thu nhả khí, trình chưng cất pha tạo nên bốc ngưng tụ - Chưng cất cô đặc giống nhau, nhiên khác trình q trình chưng cất dung mơi chất tan bay (nghĩa cấu tử diện hai pha với tỷ lệ khác nhau), cịn q trình đặc có dung mơi bay cịn chất tan khơng bay - Khi chưng cất ta thu nhiều cấu tử thường cấu tử thu nhiêu sản phẩm Nếu xét hệ đơn giản có cấu tử ta thu 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 Phương pháp chưng cất : Các phương pháp chưng cất phân loại theo : - Áp suất làm việc : Áp suất thấp Áp suất thường Áp suất cao Nguyên tắc làm việc : dựa vào nhiệt độ sôi cấu tử, nhiệt độ sôi cấu tử cao ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sơi cấu tử _ Ngun lí làm việc : Chưng bậc Chưng lôi theo nước Chưng cất _ Cấp nhiệt đáy tháp : Cấp nhiệt trực tiếp Cấp nhiệt gián tiếp Vậy : Đối với hệ Benzen – Toluen, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục áp suất thường a Thiết bị chưng cất : _ Trong sản xuất, người ta thường dùng nhiều loại thiết bị khác để tiến hành chưng cất 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 chêm, tháp phun, …Ở ta khảo sát loại thường dùng tháp mâm tháp chêm _ Tháp mâm : thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía có gắn mâm có cấu tạo khác nhau, pha lỏng pha cho tiếp xúc với Tuỳ theo cấu tạo đĩa, ta có : _ Tháp mâm chóp : mâm bố trí có chóp dạng trịn, xupap, … _ Tháp mâm xuyên 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 cho vào tháp theo hai phương pháp sau : xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự _ So sánh ưu nhược điểm loại tháp : Tháp chêm - Cấu tạo đơn giản Tháp mâm xuyên lỗ Tháp chóp - Trở lực tương đối - Khá ổn định - Trở lực thấp thấp Ưu - Làm việc với chất - Hiệu suất cao điểm lỏng bẩn dùng đệm cầu - Hiệu suất cao có chất lỏng - Do có hiệu ứng thành - Khơng làm việc - Có trở lực hiệu suất truyền khối thấp với chất lỏng lớn - Độ ổn định khơng cao, bẩn Nhược điểm khó vận hành - Tiêu tốn nhiều - Kết cấu phức vật tư, kết cấu - Do có hiệu ứng thành tạp phức tạp tăng suất hiệu ứng thành tăng khó tăng suất - Thiết bị nặng nề Vậy :Theo yêu cầu đồ án, ta sử dụng mâm chóp để chưng cất hỗn hợp benzentoluen b Giới thiệu nguyên 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 môi hữu không phân cực tan nước Trước người ta thường sử dụng benzen làm dung môi Tuy nhiên sau người ta phát nồng độ benzen khơng khí cần thấp khoảng 1ppm có khả gây bệnh bạch cầu, nên ngày benzen sử dụng hạn chế _ Các tính chất vật lí benzen: o Khối lượng phân tử: 78,11 o Tỉ trọng(200C): 0,879 o Nhiệt độ sôi: 800 C o Nhiệt độ nóng chảy:5,500C _ Toluen: hợp chất mạch vịng,ở dạng lỏng có tính thơm ,cơng thức phân tử tương tự benzen có gắn thêm nhóm –CH3 Khơng phân cực,do toluen tan tốt benzen.Toluen có tính chất dung mơi tương tự benzen độc tính thấp nhiều, nên ngày thường sử dụng thay benzen làm dung môi phịng thí nghiệm cơng nghiệp _ Các tính chất vật lí toluen: o Khối lượng phân tử : 92,13 o Tỉ trọng (20oC) : 0,866 o Nhiệt độ sơi : 111oC o Nhiệt độ nóng chảy : -95 oC c Các phương thức điều chế : _ Đi từ nguồn thiên nhiên _ Thông thường hidrocacbon điều chế phịng thí nghiệm, thu lượng lớn phương pháp chưng cất than đá, dầu mỏ… _ Đóng vịng dehiro hóa ankane _ Các ankane tham gia đóng vịng dehidro hóa tạo thành hidro cacbon thơm nhiệt độ cao có mặt xúc tác Cr2O3, hay lim loại chuyển tiếp Pd, Pt Cr O3 / Al O3 CH3(CH2)4CH3 ⃗ C6H6 _ 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 C6H12 ⃗ Pt / Pd C6H6 _ Đi từ acetylen _ Đun acetane có mặt cảu xúc tác than hoạt tính hay phức niken Ni(CO)[(C6H5)P] thu benzen xt 3C2H2 ⃗ C6H6 _ Từ benzen ta điều chế dẫn xuất benzen toluen phản ứng Friedel-Crafts (phản ứng ankyl hóa benzen dẫn xuất ankyl halide với có mặt cảu xúc tác AlCl3 khan AlCl C6H6 + CH3- Cl ⃗ C6H5-CH3 d Hỗn hợp benzen – toluen : _ Ta có bảng thành phần lỏng (x) – (y) nhiệt độ sôi hỗn hợp Benzen– Toluen 760 mmHg.(Tham khảo ST2) 10 thiết bị làm nguội với thiết bị ngưng tụ đảm bảo trình trao đổi nhiệt cần thiết Chọn K=159.003(W /m2 × độ) d Bề mặt truyền nhiệt: F= QW K × ∆´ t → F= ( ST 2/46 ) 38.564 × 103 =12.603( m ) 159.003 ×19.245 e Chiều dài ống : l= F 12.603 = =0.725(m) 173 × π × d ống 173 × π ×0.032 → l=0.8( m) Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh: a Điều kiện nhiệt độ trình: _ Nhiệt độ lỏng khỏi đáy tháp vào thiết bị làm nguội dịng nóng vào là: t NV =81.46 ° C (hơi) _ Nhiệt độ dòng nóng khỏi thiết bị: t NR =32 ℃ (lỏng) _ Nhiệt độ nước vào thiết bị là: t LV =30 ℃ (lỏng) _ Nhiệt độ nước khỏi thiết bị là: t LR =40℃ (lỏng) _ Chênh lệch nhiệt độ đầu lớn: ∆ t 1=81.46−40=41.46 ℃ _ Chênh lệch nhiệt độ đầu nhỏ: ∆ t 2=32−30=2 ℃ _ Hiệu số nhiệt độ trung bình: ∆ t −∆t ∆´ t= (ST :V 8/5) ∆ t1 ln ∆ t2 ( ) 79 ¿ 41.46−2 =13.01(℃) 41.46 ln ( ) b Lượng nhiệt trao đổi: _ Nhiệt lượng cần thiết để làm nguội sản phẩm đỉnh (đã tính phần cân lượng ) Q D=G D ×C D × ( t NV −t NR ) ¿ 333.33 ×2046.404 × ( 81.46−32 ) ¿ 3373380( J /h)=9.317(kW ) c Chọn thiết bị: _ Chọn loại thiết bị ống chùm, đặt nằm ngang, vật liệu đồng thau (89Cu+11Zn), _ Theo (ST2: Bảng V.11/49), ta chọn: Thiết bị gồm 93 ống xếp theo vòng tròn, xếp thành hình trịn (n0 ¿, số ống vịng ngồi 43 _ Chọn đường kính ngồi ống d ống=0.032( m), loại ống 32 ×3( mm) _ Bước ống, chọn: t=1.2 ×d ống =1.2 ×0.032=0.038(m) _ Đường kính thiết bị ống chùm: Dtr =t × ( ×n 0+ ) ( ST :V 141 /49 ) ¿ 0.038 × ( ×5+1 ) =0.418(m) Chọn Dtr=0.5(m) _ thiết bị ngưng tụ - thiết bị chùm ống có đường kính 0.5(m), có 93 ống, đường kính ống 0.032 (m),Nước ống, dịng sản phẩm đỉnh ngồi ống, thiết bị đặt nằm ngang _ Tương tụ với thiết bị làm nguội sản phẩm đáy: Chọn K=159.003(W /m2 × độ) d Bề mặt truyền nhiệt: 80 F= QD K × ∆´ t → F= ( ST 2/46 ) 4.756× 103 =2.206(m ) 159.003 ×13.561 e Chiều dài ống : l= F 2.206 = =0.235(m) 93 × π ×d ống 93 × π × 0.032 → l=0.3(m) Thiết bị nồi đun: a Điều kiện chuẩn độ trình: _ Ta dùng nước bão hịa có áp suất tuyệt đối 2at, nhiệt độ sôi 119.62 ° C để cấp nhiệt cho dung dịch _ Dịng nóng có:t NV =t NR =119.62 ° C (hơi) _ Dịng lạnh có: t LV =t w =110.58 ° C(lỏng ), t LR =115 ° C (hơi) _ Chênh lệch nhiệt độ đầu lớn: ∆ t V =119.63−110.58=9.05° C _ Chênh lệch nhiệt độ đầu nhỏ: ∆ t R =119.63−115=4.63 ° C _ Hiệu số nhiệt độ trung bình: ∆ t −∆ t R ∆´ t= V (ST 2:V 8/5) ∆ tV ln ∆ tR ( ) ¿ 9.05−4.63 =6.6(℃ ) 9.05 ln 4.63 ( ) 81 b Lượng nhiệt trao đổi: _ Nhiệt lượng nước cần thiết (đã tính phần cân lượng ) Q D 2=D × ( r h +θn ×C n 2) ¿ 160.624 × ( 2203.29× 103+ 119.62× 2118.521 ) ¿ 394606182(J / h)=109.613(kW ) c Chọn thiết bị: _ Chọn loại nồi đun Kette riêng với tháp, nồi đun tiếp nhận dòng lỏng bên tháp nhờ nước bảo hịa có nhiệt độ cao nhiệt độ lỏng giúp hóa phần lỏng đáy tháp mục đích tạo cho phần có điều kiện lên đỉnh tháp, vật liệu đồng thau (89Cu+11Zn)có λ=115 (W /m ×độ), _ Theo (ST2: Bảng V.11/49), ta chọn: Thiết bị gồm 173 ống xếp theo vòng trịn, xếp thành hình trịn (n0 ¿, số ống vịng ngồi 43 _ Chọn đường kính ngồi ống d ống=0.032( m), loại ống 32 ×3( mm) d Hệ số cấp nhiệt: Xác định hệ số cấp nhiệt từ nước bão hòa đến thành ống: _ Tra (ST1:bảng I.2/9) 119.62oC ,ta được: khối lượng riêng dịng nóng: ρh =943.278(kg /m3) _ Tra (ST1-bảng .104/96), 119.62oC , ta độ nhớt dòng nóng: μh=0.233× 10−3 (N × s /m2 ) _ Tra (ST2:bảng I.148/166) 119.62 °C ta có: C h=0.506(kcal/kg × độ) ¿ 0.506 × 4.1868× 103=2118.521 (J/kg× độ) _ Tra (ST2: bảng I.212/254),ta đượcnhiệt hóa dịng nóng : r h =526.247(kcal/kg) 82 ¿ 526.247 × 4.1868× 103=2203.29 ×103 (J/kg) _ Tra (ST2: Bảng I.129/133) hệ số dẫn nhiệt dịng nóng : λ h=5.196 ×10−2(kcal/m× h ×độ) ¿ 5.196 ×10−2 ×1.163=0.06(W /m× độ) _ Chọn ∆ t N =3 ° C _ Ngưng tinh khiết mặt ống nằm ngang: Hệ số cấp nhiệt α 1=1.28 × √ r h × ρ h × λh3 ( ST 2:V 111/31) μ h × ∆ t × d ống 2203.29 × 943.2782 × 0.063 ¿ 1.28 × 0.233 ×10−3 × ×0.032 √ ¿ 474.793 (W /m2 × độ) _ Hệ số cấp nhiệt trung bình ống chùm: α ch=ε ×α (ST :V 109/31) o Tra (ST2: Hình: V.20/30), chọn số ống đường thẳng n=6, Ta có ε =0.62 → α ch =0.62 × 474.793=294.372(W /m2 ×độ) _ Nhiệt tải riêng dịng nóng: q 1=α ch ×∆ t N =294.372 ×3=883.116(W /m2) Xác định hệ số cấp nhiệt từ thành ống đến dung dịch đáy: _ Do nồng độ benzene có sản phẩm đáy nhỏ, nên ta xem dung dịch sản phẩm đáy toluene _ Nhiệt độ trung bình sản phẩm đáy thiết bị nồi đun: 115+110.58 =112.79 ° C _ Khi sơi sủi bọt thể tích lớn ta có: 83 ρ' × r đ α 2=7.77 ×10 × ρ− ρ' −2 ( 0.033 ρ σđ 0.333 ) ( ) × × λđ 0.75 × q0.7 μ đ0.45 ×C đ 0.117 ×T 0.37 ( ST :V 90 /26) _ Cho áp suất làm việc mặt thoáng dung dịch p=1.1 at , o Tra (ST1:bảng I.2/9) 112.79oC ,ta được: khối lượng riêng sản phẩm đáy(lỏng): ρ=773.931( kg /m3 ) o Xem khối lượng riêng lỏng gấp đơi hơi, ta có: ρ' = M toluen × 273 92.13 ×273 = =2.91(kg /m3 ) 22.4 ×T 22.4 × ( 112.79+ 273 ) _ Tra (ST2: bảng I.212/254), 112.79 ° C ta nhiệt hóa sản phẩm đáy: r đ =86.113(kcal/kg) ¿ 86.113 × 4.1868 ×103 =360.538× 103(J/kg) _ Tra (ST2: bảng I.242/300), 112.79 ° C ta sức căng bề mặt lỏng hơi: σ đ =18.057 ×10−3 ( N /m) _ Tra (ST2: Bảng I.129/133) 112.79 ° C hệ số dẫn nhiệt sản phẩm đáy : λ đ =0.101(kcal /m ×h × độ) ¿ 0.101 ×1.163=0.117(W /m× độ) _ Giả thuyết truyền nhiệt ổn định: q=q 1=883.116 (W /m 2) _ Tra (ST1-bảng .104/96), 112.79 ° C , ta độ nhớt: μđ =0.245× 10−3 (N × s/m2) _ Nhiệt độ bão hòa : 111° C _ Tra (ST2:bảng I.153/171) 112.79 ° C ta có: C đ =2108.37(J /kg ×độ) 84 → α 2=7.77× 10−2 × ( 2.19 ×360.538 773.931−2.91 0.033 ) ( × 773.931 −3 18.057 × 10 0.333 ) × 0.117 0.75 ×883.116 0.7 0.45 ( 0.245 ×10−3 ) ×2.108 0.117 × ( 111+ 273 ) ¿ 426.657 (W /m2 × độ) _ Chọn ∆ t L=3 ° C _ Nhiệt tải riêng sản phẩm đáy : q 2=α × ∆ t L =426.657 ×3=1279.97(W /m2) Hệ số truyền nhiệt : _ Theo (ST2: Bảng V.1/), ta trị số nhiệt trở trung bình: Của cặn bẩn là: r 2=0.966× 10−3 (m2 ×độ /W ); Của nước thường là: r 1=0.464 ×10−3 ( m2 ×độ /W ) K= → K= (ST 2:V 5/ 3) δ ống 1 +r + + r 2+ α1 λ α2 1 0.003 + 0.464 ×10−3 + +0.116 ×10−3 + 474.793 115 426.657 ¿ 197.782(W /m × độ) e Bề mặt truyền nhiệt: F= Q D2 ( ST 2/46 ) K × ∆´ t → F= 109.613 ×103 =83.971( m ) 197.782×6.6 f Chiều dài ống: l= F 83.971 = =4.828(m) n × π ×d ống 173× π × 0.032 Chọn l=5 (m) Thiết bị đun sơi dịng nhập liệu: 85 0.37 a Điều kiện chuẩn độ trình: _ Ta dùng nước bão hịa có áp suất tuyệt đối 2at, nhiệt độ sôi 119.62 ° C để cấp nhiệt cho dung dịch _ Dịng nóng có:t NV =t NR =119.62 ° C (hơi) _ Dịng lạnh có: t LV =t w =30 ° C (lỏng ), t LR =100.4 ° C (lỏng-hơi) _ Chênh lệch nhiệt độ đầu lớn: ∆ t V =119.63−30=89.63 ° C _ Chênh lệch nhiệt độ đầu nhỏ: ∆ t R =119.63−100.4=19.23° C _ Hiệu số nhiệt độ trung bình: ∆ t −∆ t R ∆´ t= V (ST 2:V 8/5) ∆ tV ln ∆ tR ( ) ¿ 89.63−19.23 =45.737(℃ ) 89.63 ln 19.23 ( ) b Lượng nhiệt trao đổi: _ Nhiệt lượng nước cần thiết (đã tính phần cân lượng ) Q D 1=D × ( r h +θn × C n1 ) ¿ 76.61× ( 2203.29 ×103 +119.62 × 4245.415 ) ¿ 207562803.1(J / h)=57.656(kW ) c Chọn thiết bị: _ Chọn loại thiết bị ống chùm, thiết bị nhận dòng lỏng từ bồn cao vị nhờ nước bảo hịa có nhiệt độ cao nhiệt độ lỏng đun 86 sơidịng nhập liệu, dòng nhập liệu ống, nước bảo hòa ngồi ống vật liệu đồng thau (89Cu+11Zn)có λ=115(W /m× độ), _ Theo (ST2: Bảng V.11/49), ta chọn: Thiết bị gồm 173 ống xếp theo vòng tròn, xếp thành hình trịn (n0 ¿, số ống vịng ngồi 43 _ Chọn đường kính ngồi ống d ống=0.032( m), loại ống 32 ×3( mm) d Hệ số cấp nhiệt: Xác định hệ số cấp nhiệt từ nước bão hòa đến thành ống: _ Tra (ST1:bảng I.2/9) 119.62oC ,ta được: khối lượng riêng dịng nóng: ρh =943.278(kg /m3) _ Tra (ST1-bảng .104/96), 119.62oC , ta độ nhớt dịng nóng: μh=0.233× 10−3 (N × s /m2 ) _ Tra (ST2:bảng I.148/166) 119.62 °C ta có: C h=0.506(kcal/kg × độ) ¿ 0.506 × 4.1868× 103=2118.521 (J/kg× độ) _ Tra (ST2: bảng I.212/254),ta đượcnhiệt hóa dịng nóng : r h =526.247(kcal/kg) ¿ 526.247 × 4.1868× 103=2203.29 ×103 (J/kg) _ Tra (ST2: Bảng I.129/133) hệ số dẫn nhiệt dịng nóng : λ h=5.196 ×10−2(kcal/m× h ×độ) ¿ 5.196 ×10−2 ×1.163=0.06(W /m× độ) _ Chọn ∆ t N =8 ° C α 1=1.28 × √ ¿ 1.28 × 87 √ r h × ρ h × λh3 ( ST 2:V 111/31) μ h × ∆ t × d ống 2203.29 × 943.2782 × 0.063 0.233 ×10−3 × ×0.032 ¿ 474.793 (W /m2 × độ) _ Hệ số cấp nhiệt trung bình ống chùm: α ch=ε ×α (ST :V 109/31) o Tra (ST2: Hình: V.20/30), chọn số ống đường thẳng n=6, Ta có ε =0.62 → α ch =0.62 × 474.793=294.372(W /m2 ×độ) _ Nhiệt tải riêng dịng nóng: q 1=α ch ×∆ t N =294.372 ×8=2354.976(W /m2 ) Xác định hệ số cấp nhiệt từ thành ống đến dung dịch: _ Nhiệt độ trung bình dịng nhập liệu trung thiết bị 100.4+30 =65.2 ° C _ Do dung dịch sơi sủi bọt ống đứng ta có: λnl 1.3 × ρnl 0.5 × ρ'nl 0.66 ×q 0.6 α 2=780 × 0.5 (ST :V 93/26) σ nl ×r nl 0.6 × ρ00.66 × Cđ 0.3 μđ 0.3 ( giả thiết: ρ'nl= ρ0: khối lượng riêng lúc khối lượng riêng áp suất 1at) → α 2=780× λnl 1.3 × ρnl0.5 ×q 0.6 σ nl0.5 × r nl 0.6 ×C đ0.3 μđ 0.3 _ Nội suy theo (ST1:bảng I.2/9) 65.2 ° C ,ta được: khối lượng riêng dòng nhập liệu (lỏng) : ρbenzen=829.595(kg / m3 ) ρtoluen =802.19(kg /m 3) → ρnl = x´ F ρ benzen 88 + 1−´x F ρtoluen = 0.22 1−0.22 + 829.595 802.19 ¿ 792.104( kg/m3 ) _ Nội suy từ ( ST1-bảng .101/91), 65.2 ° C , ta độ nhớt: μ Benzen=0.367 ×10−3 (N × s /m 2) μToluen=0.362×10−3 (N ×s /m2) lg μ nl =x ×lg μBenzen + ( 1−x ) lg μToluen ¿ 0.25 ×lg (0.367 × 10−3 )+ ( 1−0.25 ) ×lg (0.362 ×10−3) → μ nl =0.343 ×10−3 ( N × s /m2) _ Nội suy từ (ST2: bảng: I.153/171), 65.2 ° C ,ta có nhiệt dung riêng: C Benzen=1962.025( J /kg ° C) C Toluen=1924.4( J /kg ° C) → Cnl = x´ F ×C Benzen + ( 1−´x F ) ×C Toluen ¿ 0.22 ×1962.025+ ( 1−0.22 ) ×1924.4 ¿ 1932.67( J /kg ° C) _ Nội suy từ(ST2: bảng: I.212/254), 65.2 ° C ,ta ẩn nhiệt hóa r benzen=96.433(kcal/kg ) r toluen =92.068(kcal /kg) → r nl =´x F × r Benzen + ( 1− x´ F ) ×r Toluen ¿ 0.22 ×96.433+ ( 1−22 ) × 92.068 ¿ 93.831( kcal/kg)=93.831 × 4.1868× 103 ¿ 389664.8(J /kg ) _ Hệ số dẫn nhiệt: λ nl=4.22 ×10−8 ×C nl × ρnl × √ ρ nl ( ST 1: I 32/123) M ¿ 4.22 ×10−8 × 1930.98× 806.851× √ 806.851 =0.137 (W /m× độ) 89.32 _ Nội suy từ ( ST1-bảng .242/300), 66.2 ° C , ta độ nhớt: σ Benzen=22.968 ×10−3( N /m2) 89 σ Toluen =23.1× 10−3 (N /m 2) σ nl = 1 (ST : I 76/299) + σ Benzen σ Toluen → σ nl = 1 + −3 22.968× 10 23.1 ×10−3 =0.012(N /m2) _ Giả thuyết truyền nhiệt ổn định: q=q 1=2943.72(W /m2 ) 1.3 0.5 0.6 λnl × ρnl × q → α 2=780× 0.5 σ nl × r nl 0.6 ×C nl0.3 × μ nl 0.3 ¿ 780 × 0.1371.3 ×806.8510.5 ×2943.720.6 0.0120.5 × 388664.80.6 ×1930.980.3 ׿ ¿ _ Chọn ∆ t L=5 ° C _ Nhiệt tải riêng sản phẩm đáy : q 2=α × ∆ t L =440.348 ×5=3963.873(W /m2 ) Hệ số truyền nhiệt : _ Chọn bề dày ống (mm) _ Theo (ST2: Bảng V.1), ta trị số nhiệt trở trung bình: Của cặn bẩn là: r 2=0.966× 10−3 (m ×độ /W ); Của nước thường là: r 1=0.464 ×10−3 ( m2 ×độ /W ) K= → K= (ST 2:V 5/ 3) δ ống 1 +r + + r 2+ α1 λ α2 1 0.003 +0.464 ×10−3+ +0.116 × 10−3 + 2943.72 115 3963.873 ¿ 834.675(W /m2 × độ) 90 e Bề mặt truyền nhiệt: F= Q D1 ( ST 2/46 ) K × ∆´ t → F= 57.656 ×103 =1.567(m ) 834.675 × 44.092 f Chiều dài ống: l= F 1.567 = =0.9(m) n × π ×d ống 173× π × 0.032 Bơm : _ Chọn bơm ly tâm Độ nhớt động học nguyên liệu: _ Độ nhớt dộng học có cơng thức : μ v=k × (ST 1:.21/86) ρ (Với k =1) _ Tra (ST1:bảng I.2/9) 30oC ,ta được: khối lượng riêng dịng hồn lưu ρbenzen =868.5(kg /m3 ) ρtoluen =856.5(kg /m3) → ρnl = ´x D ρ benzen + 1−´x D ρtoluen = 0.90698 1−0.90698 + 868.5 856.5 ¿ 867.37(kg/m3 ) _ Tra ( ST1-bảng .101/91), 30oC, ta độ nhớt: μ Benzen=0.56 ×10−3 (N × s /m 2) μToluen=0.522×10−3 (N ×s /m2) lg μ hh=x ×lg μBenzen + ( 1−x ) lg μToluen ¿ 0.92 ×lg (0.56 ×10−3)+ ( 1−0.92 ) × lg (0.522× 10−3 ) → μ nl =5.569 ×10−4 ( N × s/m2) 91 ¿> v nl= μ nl 5.569 ×10−4 −7 = =6.421 ×10 (m / s) ρnl 867.37 Độ nhớt động học dịng hồn lưu: _ Ta có khối lượng riêng dịng hồn lưu: ρhh=810.112(kg /m3 ) _ Ta có độ nhớt động lực dịng hồn lưu: μhh=0.305× 10−3 ( N × s/m 2) ¿> v hl = μ hl 0.305 ×10−3 = =3.516 ×10−7 ( m2 /s) ρhl 867.37 Do benzene toluene hóa chất độc hại có độ nhớt nhỏ 40 × 10−6 (m2 /s ), Nên theo (ST1: Bảng: II.39/447 ) -Bơm dùng xín nghiệp hóa chấtta chọn loại bơm ly tâm cấp có suất 24 ÷ 140(m3 /h), áp suất tồn phần 26 ÷ 54 ( m ) ,số vòng quay 3000( vòng/ ph),làm thép 10X18H19T, để bơm dịng ngun liệu dịng hồn lưu, 92 TÀI LIỆU THAM KHẢO Sổ tay trình thiết bị cơng nghệ hóa chất tập 1, NXB Khoa học kỹ thuật Hà nội ( sửa chữa tái lần thứ 2) Sổ tay trình thiết bị cơng nghệ hóa chất tập 2, NXB Khoa học kỹ thuật Hà nội ( sửa chữa tái lần thứ 2) Võ Văn Bang – Vũ Bá Minh : Q trình thiết bị Cơng nghệ hóa học thực phẩm tập “Truyền khối”, NXB: Đại học quốc gia TP.Hồ Chí Minh Phạm Văn Bn – Nguyễn Bá Minh –Hồng Minh Nam “q trình thiết bị cơng nghệ hóa học tập 10 :Ví dụ tập nhà xuất Đại Học Quốc Gia TPHCM” 93 ... 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. .. cất hỗn hợp Benzen- Tolune 1500kg nhập liệu/ h Nhiệm vụ đồ án ( nội dung yêu cầu số liệu ban đầu ): _ Nồng độ nhập liệu : 25% mol benzen _ Sản phẩm đỉnh: 94% mol benzen _ Sản phẩm đáy: 3% mol benzen. .. có độ bay nhỏ (nhiệt độ sôi lớn) - Đối với hệ Benzen – Toluen Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm benzen toluen Sản phẩm đáy chủ yếu toluen benzen 2 Phương pháp chưng cất : Các phương pháp chưng cất