đồ án thiết kế hệ thống chưng cất hỗn hợp chloroform tetrachloromethane sử dụng tháp mâm chóp

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.04 MB, 122 trang )

Trang 1<div class="page_container" data-page="1">

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINHKHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC VÀ THỰC PHẨM

BỘ MƠN: CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT HĨA HỌC

---NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN MÔN HỌC MÁY VÀ THIẾT BỊGiáo viên hướng dẫn: TS. Hồ Phương

Họ và tên sinh viên thực hiện: Phạm Thành Lợi MSSV: 21128045

Lê Hồ Chơn Duyên MSSV: 21128013

Ngành: Cơng nghệ kỹ thuật hóa học

1. Tên đồ án: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG CẤT HỖN HỢP CHLOROFORM– TETRACHLOROMETHANE SỬ DỤNG THÁP MÂM CHÓP.

2. Nhiệm vụ của đồ án: Tính tốn cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng, tính tốn

thiết kế hệ thống, thiết bị chính và phụ.

3. Các số liệu ban đầu

+ Năng suất nhập liệu: 3800 (kg/h)

+ Nồng độ nhập liệu: 12% Chloroform theo khối lượng

+ Nồng độ sản phẩm đỉnh: 81,5% Chloroform theo khối lượng+ Nồng độ sản phẩm đáy: 3% Chloroform theo khối lượng

4. Yêu cầu về phần thuyết minh và tính tốn

+ Giới thiệu về chưng cất, thiết bị chưng cất, các tính chất của nguyên liệu.+ Chọn và thuyết minh quy trình cơng nghệ hệ thống chưng cất.

+ Tính tốn cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng của hệ chưng cất.+ Tính tốn các thơng số cơng nghệ của tháp chưng cất.

+ Tính cơ khí của tháp chưng cất (bề dày, mặt bích, bulong,…).+ Tính tốn và chọn các thiết bị phụ.

</div>Trang 2<div class="page_container" data-page="2">

+ Kết luận.

5. Yêu cầu về trình bày bản vẽ

+ Bản vẽ quy trình cơng nghệ.+ Bản vẽ cấu tạo thiết bị chính.

6. u cầu khác: Thực hiện và hồn thành đồ án đúng tiến độ.7. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 22/02/2024

8. Ngày hồn thành đồ án: 22/06/2022

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2024

Trưởng bộ môn(Ký và ghi rõ họ tên)

TS. Huỳnh Nguyễn Anh Tuấn

Người hướng dẫn(Ký và ghi rõ họ tên)

TS. Hồ Phương

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

</div>Trang 3<div class="page_container" data-page="3">

MÔN HỌC: ĐỒ ÁN MÁY THIẾT BỊ - HỌC KÌ 2 – NĂM HỌC 2023 – 2024MÃ MÔN HỌC: PWPD322703

1. Giáo viên hướng dẫn: TS. Hồ Phương

2. Sinh viên thực hiện: Phạm Thành Lợi 3. MSSV: 21128045

4. Tên đề tài: Thiết kế tháp chưng cất dạng mâm chóp cho hệ Chloroform – Tetrachloromethane.5. Kết quả đánh giá:

1 Xác định được đối tượng và yêu cầu thiết kế 0 – 1,02 Lập qui trình cơng nghệ và tính tốn được các chi

7. Kết luận:

Được phép bảo vệ:

□

Không được bảo vệ:

□

Ngày... tháng... năm 2024 Người nhận xét (Kí và ghi rõ họ tên)

TS. Hồ Phương

</div>Trang 4<div class="page_container" data-page="4">

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCMKHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC – THỰC

BỘ MƠN CƠNG NGHỆ HĨA HỌC

PHIẾU ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁOVIÊN HƯỚNG DẪN

MƠN HỌC: ĐỒ ÁN MÁY THIẾT BỊ - HỌC KÌ 2 – NĂM HỌC 2023 – 2024MÃ MÔN HỌC: PWPD322703

1. Giáo viên hướng dẫn: TS. Hồ Phương

2. Sinh viên thực hiện: Lê Hồ Chơn Duyên 3. MSSV: 21128013

4. Tên đề tài: Thiết kế tháp chưng cất dạng mâm chóp cho hệ Chloroform – Tetrachloromethane.5. Kết quả đánh giá:

1 Xác định được đối tượng và yêu cầu thiết kế 0 – 1,02 Lập qui trình cơng nghệ và tính tốn được các chi

7. Kết luận:

Được phép bảo vệ:

□

Không được bảo vệ:

□

Ngày... tháng... năm 2024 Người nhận xét (Kí và ghi rõ họ tên)

</div>Trang 5<div class="page_container" data-page="5">

TS. Hồ Phương

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCMKHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC – THỰC

BỘ MƠN CƠNG NGHỆ HĨA HỌC

PHIẾU ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁOVIÊN PHẢN BIỆN

MÔN HỌC: ĐỒ ÁN MÁY THIẾT BỊ - HỌC KÌ 2 – NĂM HỌC 2023 – 2024MÃ MÔN HỌC: PWPD322703

1. Giáo viên phản biện:...

2. Sinh viên thực hiện: Phạm Thành Lợi 3. MSSV: 211280454. Tên đề tài: Thiết kế tháp chưng cất dạng mâm chóp cho hệ Chloroform – Tetrachloromethane.5. Kết quả đánh giá:STTNội dung Thang điểm Điểm số1 Lập qui trình cơng nghệ và tính tốn được các chi tiết thiết bị 0 – 2,52 Lập được bảng vẽ với phần mềm chuyên dụng 0 – 2,53 Hoàn thành thuyết minh thiết kế đầy đủ, chính xác và logic 0 – 1,04 Trình bày được những nội dung cốt lõi của đồ án 0 – 1,05 Trả lời được các câu hỏi phản biện 0 – 3TỔNG ĐIỂM (Bằng chữ:)10Ghi chú: GV phản biện cho điểm lẻ tới 0,25 điểm6. Các nhận xét khác (nếu có):...

Người phản biện (Kí và ghi rõ họ tên)

</div>Trang 6<div class="page_container" data-page="6">

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCMKHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC – THỰC

BỘ MƠN CƠNG NGHỆ HĨA HỌC

PHIẾU ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁOVIÊN PHẢN BIỆN

MÔN HỌC: ĐỒ ÁN MÁY THIẾT BỊ - HỌC KÌ 2 – NĂM HỌC 2023 – 2024MÃ MƠN HỌC: PWPD322703

1. Giáo viên phản biện:...

2. Sinh viên thực hiện: Lê Hồ Chơn Duyên 3. MSSV: 211280134. Tên đề tài: Thiết kế tháp chưng cất dạng mâm chóp cho hệ Chloroform – Tetrachloromethane.5. Kết quả đánh giá:STT Nội dung Thang điểm Điểm số1 Lập qui trình cơng nghệ và tính tốn được các chi tiết thiết bị 0 – 2,52 Lập được bảng vẽ với phần mềm chuyên dụng 0 – 2,53 Hoàn thành thuyết minh thiết kế đầy đủ, chính xác và logic 0 – 1,04 Trình bày được những nội dung cốt lõi của đồ án 0 – 1,05 Trả lời được các câu hỏi phản biện 0 – 3TỔNG ĐIỂM (Bằng chữ:)10Ghi chú: GV phản biện cho điểm lẻ tới 0,25 điểm6. Các nhận xét khác (nếu có):...

Người phản biện (Kí và ghi rõ họ tên)

</div>Trang 7<div class="page_container" data-page="7">

CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ... 23

2.1. Bản vẽ sơ đồ quy trình cơng nghệ... 23

2.2. Thuyết minh quy trình... 24

</div>Trang 8<div class="page_container" data-page="8">

2.3. Sơ đồ tính tốn... 25

CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT... 26

1. THÔNG SỐ BAN ĐẦU... 26

2. CÂN BẰNG VẬT CHẤT... 27

2.1. Đổi nồng độ phân khối lượng sang nồng độ phân mol... 27

2.2. Tính phân tử lượng trung bình... 27

2.3. Tính suất lượng... 27

2.4. Tỷ số hoàn lưu... 28

2.4.1. Tỷ số hoàn lưu tối thiểu... 28

2.4.2. Tỷ số hồn lưu tối ưu... 29

2.4.3. Phương trình làm việc và xác định số mâm... 29

2.4.3.1. Phương trình làm việc phần cất... 29

2.4.3.2. Phương trình làm việc phần chưng... 29

2.4.3.3. Số mâm lý thuyết và số mâm thực tế... 31

3. CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG... 33

3.1. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ... 33

3.2. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt dịng nhập liệu đến nhiệt độ sơi...

... 34

3.3. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đáy... 34

3.4. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh... 35

3.5. Cân bằng nhiệt lượng cung cấp cho nồi đun ở đáy tháp... 36

3.6. Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh... 36

</div>Trang 9<div class="page_container" data-page="9">

CHƯƠNG 4: TÍNH THIẾT BỊ CHÍNH... 37

1. TÍNH TỐN THIẾT KẾ THÂN THÁP CHƯNG CẤT... 37

1.1. Đường kính tháp (Dt¿... 37

1.1.1. Đường kính đoạn cất... 37

1.1.1.1. Lượng hơi trung bình đi trong tháp ở đoạn cất... 37

1.1.2. Đường kính đoạn chưng... 41

1.1.3. Kết luận... 44

1.2. Chiều cao tháp mâm chóp... 45

1.2.1. Chiều cao thân tháp... 45

1.2.2. Chiều cao của đáy, nắp... 45

</div>Trang 10<div class="page_container" data-page="10">

1.6.2.4. Đường kính ống dẫn hơi từ nồi đun qua tháp... 60

1.6.2.5. Ống dẫn dịng hồn lưu... 61

1.6.3. Bích để nối các ống dẫn... 62

1.6.4. Tai treo, chân đỡ... 63

1.6.4.1. Tính sơ bộ khối lượng toàn tháp... 63

1.1.1. Suất lượng nước làm lạnh cần dùng... 69

1.1.2. Hiệu số trung bình logarit... 69

1.1.3. Hệ số truyền nhiệt K... 69

1.1.4. Bề mặt truyền nhiệt trung bình... 74

1.2. Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh... 74

1.2.1. Suất lượng nước làm lạnh cần dùng... 76

1.2.2. Hiệu số trung bình logarit... 76

1.2.3. Hệ số truyền nhiệt K... 76

1.2.4. Bề mặt truyền nhiệt trung bình... 80

1.3. Thiết bị gia nhiệt nhập liệu... 80

1.3.1. Suất lượng hơi nước cần dùng để gia nhiệt dòng nhập liệu... 82

</div>Trang 11<div class="page_container" data-page="11">

1.3.2. Hiệu số nhiệt độ trung bình logarit... 82

1.3.3. Hệ số truyền nhiệt K... 82

1.3.4. Bề mặt truyền nhiệt trung bình... 86

1.4. Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy... 86

1.4.1. Suất lượng nước cần dùng để làm nguội sản phẩm đáy... 88

1.4.2. Hiệu số nhiệt độ trung bình logarit... 88

1.4.3. Hệ số truyền nhiệt K... 88

1.4.4. Bề mặt truyền nhiệt trung bình... 93

1.5. Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy... 93

1.5.1. Suất lượng hơi nước cần dùng... 94

1.5.2. Hiệu số nhiệt độ trung bình logarit... 95

1.5.3. Hệ số truyền nhiệt K... 95

1.5.4. Bề mặt truyền nhiệt trung bình... 99

1.6. Bồn cao vị... 100

1.6.1. Tổn thất đường ống... 100

1.6.2. Tổn thất đường ống dẫn đoạn qua thiết bị đun sôi nhập liệu... 102

1.6.3. Chiều cao bồn cao vị... 106

1.7. Bơm... 106

1.7.1. Bơm nhập liệu... 106

1.7.2. Bơm hoàn lưu... 111

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO... 118

</div>Trang 12<div class="page_container" data-page="12">

LỜI CẢM ƠN

Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của Cơ Hồ Phương, nhờ có sự chỉ dạycủa cơ mà em có thể hồn thành đồ án thiết kế thiết bị máy hóa chất một cách tốt nhất.Em cũng xin chân thành cảm ơn tất cả quý Thầy Cô trong Bộ mơn Cơng nghệ Hóa học,Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã giảng dạy, cung cấp choem nhiều kiến thức qua các bộ mơn về các q trình truyền khối, truyền nhiệt và các kiếnthức liên quan đến thiết bị. Những hành trang này đã giúp em có được nền tảng kiến thứcvững chắc để có thể hồn thành tốt đồ án mơn học.

Đồ án thiết kế thiết bị chưng cất dạng mâm chóp của em còn nhiều sai sót do nhiềunguyên nhân chủ quan cũng như khách quan về khả năng và kinh nghiệm thực tế nên emchưa thể phân tích, tính tốn và đánh giá một cách chính xác và đúng mức các quy định.Tuy nhiên, nhờ sự hướng dẫn đầy đủ và kịp thời từ cô mà thông qua môn học em học hỏiđược nhiều kiến thức bổ ích mang lại nhiều kinh nghiệm để có thể tính tốn và thiết kếhồn chỉnh một thiết bị công nghiệp trong tương lai.

Em xin gửi lời cảm ơn đến giảng viên phản biện đồ án của em, cảm ơn quý Thầy Cô đãdành thời gian để xem xét và giúp em nhìn nhận ra những chỗ thiếu sót trong đồ án mơnhọc. Kính mong q Thầy Cơ có thể góp ý, chỉ dạy thêm để em có thể hồn thành đồ ánmột cách tốt nhất.

Em xin chân thành cảm ơn.

</div>Trang 13<div class="page_container" data-page="13">

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: Bảng so sánh ưu nhược điểm của các thiết bị chưng cất...19

Bảng 1.2: Thành phần cân bằng lỏng – hơi và nhiệt độ của hỗn hợp...21

Bảng 3.1: Thông số các dịng...29

Bảng 3.2: Tổng hợp các thơng số về độ nhớt, hiệu suất và nhiệt độ...34

Bảng 4.1: Mối ghép giữa thân và đáy (nắp) thiết bị...58

Bảng 4.2: Kích thước các bích nối các ống dẫn...63

Bảng 4.3: Kích thước chân đỡ tháp...66

Bảng 4.3: Kích thước tai treo tháp...67

Bảng 5.1: Bảng giá trị C phụ thuộc Re...78

Bảng 6: Tổng kết kích thước thiết bị chính...118

</div>Trang 14<div class="page_container" data-page="14">

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Mơ hình tháp chưng cất mâm chóp...20

Hình 1.2: Giản đồ pha cân bằng lỏng – hơi của hệ Chloroform – Tetrachloromethane...22

Hình 1.3: Giản đồ tỷ lệ lỏng – hơi của hệ Chloroform – Tetrachloromethane theo nhiệt độ... 23

Hình 3.1: Đồ thị xác định số mâm lý thuyết chưng cất Chloroform – Tetrachloromethane tại P = 1 atm...31

Hình 3.2: Xác định hiệu suất trung bình của thiết bị...32

Hình 4.1: Hình minh hoạ phần mâm hiệu dụng...52

Hình 4.2: Hình minh hoạ bích ghép thân...59

Hình 4.3: Hình minh hoạ bích nối các ống dẫn...63

Hình 4.4: Hình minh hoạ chân đỡ thiết bị đặt thẳng đứng...66

Hình 4.5: Hình minh hoạ tai treo thiết bị đặt thẳng đứng...67

Hình 5.1: Hình minh hoạ nồi đun Kettle...95

</div>Trang 15<div class="page_container" data-page="15">

LỜI MỞ ĐẦU

Đối với ngành cơng nghệ kỹ thuật hóa học nước ta nói riêng và ngành cơng nghệ kỹ thuậthóa học thế giới nói chung, đặc biệt là ngành hóa chất cơ bản. Nhu cầu về độ tinh khiếtcủa hóa chất ngày càng cao, phải phù hợp với quy trình sản xuất hoặc nhu cầu sử dụng.Chúng ta đang sống trong thế giới với khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển. Trongngành công nghệ vật liệu mới không thể không nhắc đến ngành cơng nghiệp hóa học, bởicơng nghệ hố thuộc lĩnh vực cơng nghệ địi hỏi kỹ thuật cao, mức độ phát triển côngnghệ này được coi như một chỉ thị về trình độ phát triển của một đất nước.

Nhận thấy rõ sự phát triển như vũ bão của ngành Công nghệ Kỹ thuật Hóa học, với lối tưduy nhạy bén và sáng tạo, khoa Cơng nghệ Hóa học và Thực phẩm Trường Đại học Sưphạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã đào tạo ra những sinh viên chun ngànhHóa. Điều đó khơng chỉ cung cấp cho đất nước đội ngũ những công nhân lành nghề, thợkỹ thuật có tay nghề cao mà nó còn mở cơ hội việc làm cho giới trẻ trong lĩnh vực khámới mẻ này.

Là một sinh viên khoa Công Nghệ Hóa học và Thực phẩm, em được trang bị rất nhiềukiến thức cơ bản về các quá trình thiết bị của cơng nghệ sản xuất những sản phẩm hóahọc. Nhận được bản đồ án này là một cơ hội tốt để em được tìm hiểu về các q trìnhcơng nghệ, được vận dụng những kiến thức đã được học và mở rộng vốn kiến thức củamình, từ đó giúp em có cái nhìn cụ thể hơn về nghành nghề mình đã lựa chọn.

</div>Trang 16<div class="page_container" data-page="16">

Cơng nghệ Kỹ thuật Hóa học là một ngành giữ vị trí, vai trò quan trọng trong việc sảnxuất phục vụ cho nhiều lĩnh vực, cho mọi nghành kinh tế quốc dân, tạo tiền đề cho nhiềungành phát triển theo. Với nhiều phương pháp sản xuất khác nhau như lắng, lọc, đunnóng, làm nguội, chưng luyện, hấp thụ, hấp phụ, trích ly, sấy khô, đông lạnh…đã tạo rarất nhiều sản phẩm đa dạng, phong phú đáp ứng nhu cầu ngày càng lớn của con người.Đặc biệt được ứng dụng nhiều nhất là chưng luyện, nó được ứng dụng trong nhiều ngành,lĩnh vực, đặc biệt là công nghệ lên men, công nghệ tổng hợp hữu cơ, lọc - hóa dầu, cơngnghệ sinh học...

Đối với hệ Chloroform – Tetrachloromethane là 2 cấu tử tan hoàn tồn vào nhau. Tùy tỉlệ thành phần cấu tử có trong hỗn hợp mà có nhiệt độ sơi khác nhau nên phương pháp tốiưu để tách hỗn hợp trên là phương pháp chưng cất. Mà cụ thể trong đồ án này, nhóm em sẽnghiên cứu thiết kế máy thiết bị chưng cất dạng mâm chóp.

Đồ án mơn học q trình thiết bị là một mơn học mang tính tổng hợp trong q trình học tậpcủa kỹ sư hóa học tương lai. Môn học giúp sinh viên giải quyết nhiệm vụ tính tốn cụ thể về:u cầu cơng nghệ, kết cấu, giá thành của một thiết bị trong sản xuất hóa chất – thực phẩm.Đây là bước đầu tiên để sinh viên vận dụng những kiến thức đã học của nhiều môn học vàgiải quyết vấn đề kỹ thuật một cách tổng hợp.

Nhiệm vụ của đồ án môn học là thiết kế tháp chưng cất chóp đĩa cho hệ hai cấu tửChloroform – Tetrachloromethane hoạt động liên tục với năng suất: 3,8 tấn/h, nồng độ đầunhập liệu là 12% Chloroform theo khối lượng, nồng độ sản phẩm đỉnh là 81,5% Chloroformtheo khối lượng, nồng độ sản phẩm đáy là 3% Chloroform theo khối lượng.

</div>Trang 17<div class="page_container" data-page="17">

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1. LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT

1.1. Khái niệm

Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của hỗn hợp lỏng cũng như hỗn hợp khílỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗnhợp (nghĩa là khi ở cùng nhiệt độ, áp suất hơi bão hoà của các cấu tử khác nhau) bằngcách lặp lại nhiều lần quá trình bay hơi – ngưng tụ.

Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu được bấynhiêu sản phẩm.

Trong hệ đơn giản chỉ có 2 cấu tử, ta thu được 2 sản phẩm : Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồmcấu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt độ sơi thấp) sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bayhơi nhỏ (nhiệt độ sôi cao). Đối với hệ chloroform – tetrachloromethane. Sản phẩm đỉnhchủ yếu gồm chloroform và một ít tetrachloromethane. Sản phẩm đáy chủ yếu làtetrachloromethane và một ít chloroform.

1.2. Phương pháp chưng cất

Trong thực tế thường sử dụng các phương pháp chưng cất sau đây:

- Chưng cất đơn giản : Được sử dụng trong các trường hợp sau: khi nhiệt độ sơi của

các cấu tử khác xa nhau, khơng địi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao, tách hỗn hợplỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi, tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử.

- Chưng cất phân đoạn: Dùng để tách các chất bay hơi ra khỏi một hỗn hợp dựa vào

sự chênh lệch nhiệt độ sôi không nhiều của các chất trong hỗn hợp. Sự phân tách

</div>Trang 18<div class="page_container" data-page="18">

các cấu tử trải qua nhiều lần bay hơi ngưng tụ theo nhiệt độ của từng tỉ lệ thành

phần của các cấu tử trong hỗn hợp.

- Chưng bằng hơi nước trực tiếp: Dùng để tách các hỗn hợp gồm các chất khó bay hơi

và tạp chất không bay hơi, thường được ứng dụng trong trường hợp chất được táchkhông tan vào nước. Ưu điểm của phương pháp này là hạ được nhiệt độ sôi của chất( do sử dụng hơi nước) và sản phẩm ít bị biến tính.

- Chưng cất lơi cuốn theo hơi nước: Dựa trên sự khuếch tán và lôi cuốn theo hơi nước

của những hợp chất hữu cơ khi tiếp xúc với hơi nước ở nhiệt độ cao. Hơi quá nhiệtsẽ đi trực tiếp vào trong nguyên liệu và lôi cuốn tinh dầu trong nguyên liệu đi theo.Phương pháp chưng cất này cần nồi hơi riêng hoặc bộ phận hóa hơi riêng nên tốnkém chi phí.

1.3. Nguyên tắc làm việc

Pha lỏng đi từ trên xuống theo các cạnh của đĩa hay theo ống chảy chuyền (tùy thuộc vàoloại đĩa) có nồng độ cấu tử dễ ngưng tụ tăng dần. Pha khí đi từ dưới lên qua các lỗ của đĩacó nồng độ cấu tử dễ bay hơi tăng dần. Trên mỗi đĩa sẽ xảy ra các quá trình truyền nhiệtvà truyền khối: Pha lỏng đi từ trên xuống trao đổi nhiệt với pha hơi đi từ dưới lên. Cấu tửdễ bay hơi di chuyển từ pha lỏng sang pha hơi đi lên trên. Cấu tử dễ ngưng tụ di chuyểntừ pha hơi sang pha lỏng chảy xuống dưới. Quá trình bay hơi, ngưng tụ lặp lại nhiều lần.Sản phẩm đỉnh thu được từ cấu tử dễ bay hơi với độ tinh khiết nhất có thể và tương tự ởđáy tháp ta thu được cấu tử khó bay hơi tinh khiết nhất có thể. Nồng độ các cấu tử thayđổi theo chiều cao của tháp, nhiệt độ sôi cũng thay đổi tương ứng với sự thay đổi nồngđộ.

1.4. Các loại thiết bị chưng cất

Trong sản xuất thường sử dụng rất nhiều loại tháp nhưng chúng đều có một yêu cầuchung cơ bản là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều này phụ thuộc vào độ phântán của lưu chất này vào lưu chất kia. Tháp chưng cất rất phong phú về kích cỡ và ứngdụng, các tháp lớn nhất thường được sử dụng trong cơng nghiệp lọc dầu.

Kích thước, đường kính và chiều cao tháp tùy thuộc suất lượng pha lỏng, pha hơi đi vàotrong tháp và độ tinh khiết của sản phẩm. Trong cơng nghiệp hóa chất nói chung người tasử dụng hai loại tháp chưng cất là tháp mâm và tháp đệm (tháp chêm).

</div>Trang 19<div class="page_container" data-page="19">

Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng, phía trong gắn các mâm có cấu tạo khác

nhau để chia thân tháp thành những đoạn bằng nhau, pha lỏng và pha hơi tiếp xúc vớinhau trên bề mặt mâm và tại đây xảy ra quá trình truyền khối, tùy theo cấu tạo của mâmta có:

- Tháp mâm chóp: trên mâm bố trí các chóp dạng trịn, xupap...- Tháp mâm xun lỗ: trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh

Tháp đệm (tháp chêm): thân hình trụ, gồm nhiều bậc nối với nhau bằng mặt bích hay

hàn. Vật đệm được cho vào tháp bằng một trong hai phương pháp sau: xếp ngẫu nhiênhay được sắp xếp một cách thứ tự, vật đệm có cấu tạo đa dạng: đệm vịng rasiga, đệmhình n ngựa, đệm vòng sứ...

Ta so sánh ưu và nhược điểm của ba loại tháp vừa nêu trên:

Bảng 1.1: Bảng so sánh ưu nhược điểm của các thiết bị chưng cất

- Trở lực tương tốithấp

- Hiệu suất khá cao

- Khá ổn định- Hiệu suất cao

- Kết cấu khá phứctạp

- Hiệu suất truyềnkhối thấp

- Độ ổn định khôngcao, khó vận hành- Khó tăng năng suất- Thiết bị khá nặngnề

Nhận xét: Ta sử dụng tháp mâm chóp để chưng cất hệ chloroform –

tetrachloromethane vì tháp mâm chóp thích hợp cho thiết bị hoạt động dài lâu và độ ổnđịnh cao.

</div>Trang 20<div class="page_container" data-page="20">

1.5. Tháp mâm chóp

Tháp mâm gồm thân tháp hình trụ, thẳng đứng, bên trong có gắn các mâm mà trên đó phalỏng và pha hơi được cho tiếp xúc với nhau. Chất lỏng đi vào tháp ở đỉnh hoặc tại mộtmâm nào đó thích hợp và chảy xuống nhờ trong lực qua mỗi mâm bằng ống chảy chuyền.Pha hơi đi từ dưới lên qua mỗi mâm bằng cách đi qua các chóp được gắn trên mâm.

Hình 1.1: Mơ hình tháp chưng cất mâm chóp

2. GIỚI THIỆU VỀ NGUN LIỆU2.1. Chloroform

Tính chất hố lý

Chloroform, hay cịn gọi là tricloromethan và methyl trichcloride, và một hợp chất hốhọc thuộc nhóm trihalomethan có cơng thức CHCl3. Nó khơng cháy trong khơng khí, trừ

</div>Trang 21<div class="page_container" data-page="21">

khi tạo thành hỗn hợp với các chất dễ bắt cháy hơn. Người ta sử dụng chloroform làmchất phản ứng và dung mơi. Chloroform cịn là một chất độc với mơi trường.

- Khối lượng phân tử: 119,5 g/mol- Khối lượng riêng: 1,48 g/cm3

- Nhiệt độ nóng chảy: -63,5 oC

- Điểm sơi : 61,2 oC

- Độ hòa tan trong nước: 8 g/L nước ở 20 oC

2.2. Tetrachloromethane Tính chất hố lý

Tetrachloromethane hay tetraclorua cacbon là một hợp chất hóa học có cơng thức hóa họcCCl4. Người ta sử dụng chủ yếu hợp chất này làm chất phản ứng trong tổng hợp hữu cơ.Trước đây nó cịn làm chất dập lửa và làm chất làm lạnh. Đây là một chất lỏng khôngmàu có mùi "thơm". Khối lượng phân tử: 154 g/mol

- Khối lượng riêng: 1,58 g/cm3

</div>Trang 22<div class="page_container" data-page="22">

Thành phần cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng, %

</div>Trang 23<div class="page_container" data-page="23">

62646668707274767880

</div>Trang 24<div class="page_container" data-page="24">

CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ

2.1. Bản vẽ sơ đồ quy trình cơng nghệ

</div>Trang 25<div class="page_container" data-page="25">

2.2. Thuyết minh quy trình

Hỗn hợp Chloroform - Tetrachloromethane có nồng độ Chloroform là 12% (theo khốilượng), nhiệt độ ban đầu tại bồn chứa nguyên liệu khoảng 30℃ được bơm lên bồn cao được bơm lên bồn caovị. Hỗn hợp từ bồn cao vị được dẫn tới thiết bị gia nhiệt để đun sơi dịng nhập liệu đếnnhiệt độ sôi. Trước khi vào tháp chưng cất, lưu lượng dịng nhập liệu được kiểm sốtbằng lưu lượng kế. Sau đó, hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất tại vị trí mâm nhập liệu(mâm số 20) và bắt đầu quá trình chưng cất.

Trên mâm nhập liệu, hỗn hợp lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn cất của tháp chảyxuống. Trong tháp, chất lỏng chảy từ trên xuống gặp hơi từ dưới đi lên. Tại đây hai phacó sự tiếp xúc và trao đổi với nhau. Nhiệt độ càng xuống dưới càng tăng dẫn đến nồng độcấu tử dễ bay hơi của pha lỏng chuyển động trong phần chưng giảm. Ngược lại, càng lêncao nhiệt độ càng thấp nên khi hơi từ dưới lên đi qua các đĩa thì cấu tử có nhiệt độ sơi caohơn là Tetrachloromethane sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng ở đỉnh tháp ta thu được hỗn hợpchứa 81,5% (theo khối lượng) là cấu tử Chloroform. Hơi được dẫn vào thiết bị ngưng tụvà ngưng tụ hoàn toàn. Một phần chất lỏng ngưng tụ được dẫn qua thiết bị làm nguội sảnphẩm đỉnh để làm nguội hỗn hợp đến 40℃ được bơm lên bồn cao rồi đưa tới bồn chứa sản phẩm đỉnh. Phầnchất lỏng còn lại được hoàn lưu về tháp ở đĩa trên cùng với tỉ số hồn lưu tối ưu và đượckiểm sốt bằng lưu lượng kế. Ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng chứa hầu hết là cấu tửkhó bay hơi (Tetrachloromethane) có nồng độ là 97% theo khối lượng. Sản phẩm sau khira khỏi đáy tháp được đưa vào nồi đun. Từ nồi đun một phần hỗn hợp lỏng sẽ bốc hơicung cấp lại cho đáy tháp để tiếp tục q trình chưng cất, phần lỏng cịn lại được dẫn quathiết bị làm nguội sản phẩm đáy để làm nguội hỗn hợp lỏng tới 40℃ được bơm lên bồn cao rồi đưa vào bồnchứa sản phẩm đáy.

</div>Trang 26<div class="page_container" data-page="26">

2.3. Sơ đồ tính tốn

</div>Trang 27<div class="page_container" data-page="27">

CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT

1. THÔNG SỐ BAN ĐẦU

Năng suất nhập liệu: GF = 3800 (kg/h)

Nồng độ nhập liệu (tính theo chloroform): xF= 0,12 phân khối lượngNồng độ sản phẩm đỉnh (chloroform): xD= 0,815 phân khối lượngNồng độ sản phẩm đáy (chloroform): xW= 0,03 phân khối lượngKí hiệu:

 F: suất lượng nhập liệu (kmol/h)

 xF: phần mol nhập liệu (mol chloroform/mol hỗn hợp)  D: suất lượng sản phẩm đỉnh (kmol/h)

 xD: phần mol đỉnh (mol Chloroform/mol hỗn hợp)  W: suất lượng sản phẩm đáy (kmol/h)

 xW: phần mol đáy (mol Chloroform /mol hỗn hợp)  xF: Phân khối lượng chloroform trong dòng nhập liệu. xD: Phân khối lượng chloroform trong sản phẩm đỉnh. xW: Phân khối lượng chloroform trong sản phẩm đáy.Chọn:

</div>Trang 28<div class="page_container" data-page="28">

2.1. Đổi nồng độ phân khối lượng sang nồng độ phân mol

Phân mol chloroform trong dòng sản phẩm nhập liệu:

xF =

=

= 0,1495 phân mol

Phân mol chloroform trong dòng sản phẩm đỉnh:

xD =

=

= 0,8502 phân mol

Phân mol chloroform trong dòng sản phẩm đáy:

xW =

=

= 0,0383 phân mol

2.2. Tính phân tử lượng trung bình

Phân tử lượng trung bình của nhập liệu:

MF= xF.MC + (1 - xF).MT= 0,1495.119,5 + (1 - 0,1495).154= 148,8434 (kg/kmol)Phân tử lượng trung bình của sản phẩm đỉnh:

MD= xD.MC + (1 - xD).MT= 0,8502.119,5 + (1 - 0,8502).154= 124,6668 (kg/kmol)Phân tử lượng trung bình của sản phẩm đáy:

MW= xW.MC + (1 - xW).MT= 0,0383.119,5 + (1 - 0,0383).154= 152,6776 (kg/kmol)

2.3. Tính suất lượng

Suất lượng nhập liệu:

F=GFMF=

</div>Trang 29<div class="page_container" data-page="29">

kmolh )

Suất lượng dòng sản phẩm đáy:

Cân bằng vật chất cho toàn tháp: GF=GD+¿ GW

Suy ra: GW=¿GF−GD=3800−435,6688=3364,3312 (kg/h)Suất lượng sản phẩm đáy:

W =GWMW=

kmolh )

Bảng 3.1 Thông số các dòng

Thơng số Dịng

Nồng độ x Nồng độ Năng suất nguyên liệu Phân tử lượngtrung bình Mtb

(% khối lượng) (% mol) (kg/h) (kmol/h) (kg/kmol)

2.4. Tỷ số hoàn lưu

2.4.1. Tỷ số hoàn lưu tối thiểu

Tỷ số hoàn lưu tối thiểu là chế độ làm việc mà tại đó ứng với số mâm lý thuyết là vơ cực.Do đó, chi phí cố định là vơ cực nhưng chi phí điều hành (nhiên liệu, nước và bơm...) làtối thiểu.

Phương pháp xác định: Dựa vào đồ thị cân bằng lỏng hơi

Chỉ số hồi lưu tối thiểu của tháp chưng cất:

</div>Trang 30<div class="page_container" data-page="30">

2.4.2. Tỷ số hoàn lưu tối ưu

Tỷ số hoàn lưu càng lớn thì lượng nhiệt được tiêu thụ ở đáy tháp càng nhiều, vì phải làmbay hơi lượng hồn lưu này. Mặt khác số đĩa lý thuyết của tháp giảm cùng với sự tăngcủa chỉ số hoàn lưu. Nếu giảm tỷ số hồn lưu thì sẽ làm tăng chi phí chế tạo tháp mặc dùcó giảm chi phí làm việc. Vì vậy, cần xác định giá trị thích hợp của tỷ số hồn lưu.

Thơng thường tỷ số hồn lưu tối ưu bằng 1,2 – 1,5Rmin

Để tính gần đúng ta lấy tỷ số hồn lưu thích hợp theo cơng thức:R = 1,3Rmin+0,3

(cơng thức IX.25b trang 259, tài liệu tham khảo [3])R = 1,3.12,9860 + 0,3 = 17,1818

2.4.3. Phương trình làm việc và xác định số mâm 2.4.3.1. Phương trình làm việc phần cất

y=RR+1x +

(công thức IX.20 trang 144, tài liệu tham khảo [3])

L−1R + LxW

(công thức IX.22 trang 158, tài liệu tham khảo [3])Với: L = FD = 25,53023,4947 =7,3054

</div>Trang 31<div class="page_container" data-page="31">

Hình 3.1: Đồ thị xác định số mâm lý thuyết chưng cất Tetrachloromethane – Chloroform tại P =1atm

</div>Trang 32<div class="page_container" data-page="32">

2.4.3.3. Số mâm lý thuyết và số mâm thực tế

Từ đồ thị, ta xác định được số mâm lý thuyết là 22 mâm.

Trong đó bao gồm 11 mâm chưng, 11 mâm cất, mâm nhập liệu là mâm số 11

Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình: Nt = Nlt/tb (cơng thức IX.59 trang 170, tài liệu tham khảo [3])

Trong đó: Ntt – số đĩa thực tế, Nlt - số đĩa lý thuyết, tb – hiệu suất trung bình của thiết bịTrong trường hợp này ta tính: tb = nD+nF+nW

3 (cơng thức Ĩ.60/170, TLTK [3])

Với nDnF

n

W - lần lượt là hiệu suất ở đĩa trên cùng, hiệu suất ở đĩa nhập liệu và

hiệu suất ở đĩa dưới cùng

Xác định 𝜂i: Ta xác định ηi dựa vào IX.11 trang 171, tài liệu tham khảo [3]):

Hình 3.2. Xác định hiệu suất trung bình của thiết bị

Sau khi tính được tích số giữa độ bay hơi tương đối α và độ nhớt của hỗn hợp lỏng μhh, tatra đồ thị sau để tìm ηi:

Xác định độ nhớt của hỗn hợp theo (công thức I.12 trang 84, tài liệu tham khảo [2]):log μhh= xD.log μC + (1 - xD).logμT (*)

Trong đó:

 μℎℎ: độ nhớt của hỗn hợp lỏng μC: độ nhớt của Chloroform

</div>Trang 33<div class="page_container" data-page="33">

 μT: độ nhớt của Tetrachloromethane

Độ bay tương đối của cấu tử dễ bay hơi: α = 1− yy.1−x

x (Với x: Phân mol của rượu trongpha lỏng, y*: Phân mol của rượu trong pha hơi cân bằng với pha lỏng).

Độ nhớt của Tetrachloromethane: µT = 0,4911 (cP).

Độ nhớt của hỗn hợp nhập liệu (công thức I.12 trang 84, tài liệu tham khảo [2]:log (µF) = xF.logµC + (1 - xF).logµT = 0,1495.log(0,3397) + (1 – 0,1495).log (0,4911)

→µF = 0,4647 (cP). Suy ra:α F.µF = 1,5234.0,4647 = 0,7079

Tra đồ thị hình IX.11 trang 171, tài liệu tham khảo [3], ta có ŋF = 54,60%

Tại vị trí mâm đáy:

Suy ra: αW.µW = 1,6454.0,4840 = 0,7963.

Tra đồ thị IX.11 trang 171, tài liệu tham khảo [3], → ŋW = 50,19%.

</div>Trang 34<div class="page_container" data-page="34">

Suy ra: αD. µD = 1,0364.0,3594 = 0,3725.

Tra đồ thị IX.11 trang 171, tài liệu tham khảo [3] → ŋD = 62,75%

Bảng 3.2 Tổng hợp các thông số về độ nhớt, hiệu suất và nhiệt độ

Mâm nhập liệu (F) Mâm đáy (W) Mâm đỉnh (D)Độ nhớt (µ) 0,4647 (cP) 0,4840 (cP) 0,3594 (cP)

Ncất tt= Ncất < ¿ŋtb=

Vậy: Số mâm thực tế là 40 mâm trong đó có 20 mâm chưng, 20 mâm cất, mâm nhậpliệu thuộc mâm số 20.

</div>Trang 35<div class="page_container" data-page="35">

3. CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG

3.1. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ:

- QF: nhiệt lượng gia nhiệt dòng nhập liệu đến nhiệt độ sôi (kJ/h)

Với ttbF = 53,38 oC, tra bảng I.153 – I.154 trang 171,172, tài liệu tham khảo [2], ta được:

- Nhiệt dung riêng của Chloroform: CC = 1071,077 (J/(kg.độ)

- Nhiệt dung riêng của Tetrachloromethane: CT = 912,077 (J/(kg.độ)

 CF = CC. ´xF + CT.

(

1− ´xF)=¿1071,077.0,12 + 912,077.(1 – 0,12) = 931,157 (J/(kg.độ)Vậy: QF = CF.GF.(tF – t0) = 931,157.3800.(76,77 – 30).10-3 = 165486,277 (kJ/h)

3.3. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đáy:

QW = CW.GW.(tW – tW ra) (kJ/h)

</div>Trang 36<div class="page_container" data-page="36">

Với ttbW = 58,40 oC, tra bảng I.153 – I.154 trang 171,172, tài liệu tham khảo [2], ta được:

- Nhiệt dung riêng của Chloroform: CC = 1078,594 (J/(kg.độ)

- Nhiệt dung riêng của Tetrachloromethane: CT = 919,594 (J/(kg.độ)

 CW = CC. ´xW + CT.

(

1− ´xW

)

=¿1078,594.0,03 + 919,594.(1 – 0,03) = 924,364(J/(kg.độ)

Vậy: QW = CW.GW.(tW – tW ra) = 924,364.3364,331.(76,79 – 40).10-3 = 114418,163 (kJ/h)

3.4. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh:

QD = CD.GD.(tD – tD ra) (kJ/h)Ta có:

- QD: nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (kJ/h)

Với ttbD = 58,31 oC, tra bảng I.153 – I.154 trang 171,172, tài liệu tham khảo [2], ta được:

- Nhiệt dung riêng của Chloroform: CC = 1078,467 (J/(kg.độ)

- Nhiệt dung riêng của Tetrachloromethane: CT = 919,467 (J/(kg.độ)

</div>Trang 37<div class="page_container" data-page="37">

 CD = CC. ´xD + CT.

(

1− ´xD)=¿1078,467.0,815 + 919,467.(1 – 0,815) = 1049,052(J/(kg.độ)

</div>Trang 38<div class="page_container" data-page="38">

CHƯƠNG 4: TÍNH THIẾT BỊ CHÍNH

1. TÍNH TỐN THIẾT KẾ THÂN THÁP CHƯNG CẤT

Vtb: lượng hơi (khí) trung bình đi trong tháp (m3/h)

ωtb: tốc độ hơi (khí) trung bình đi trong tháp (m3/h)

gtb: lượng hơi (khí) trung bình đi trong tháp (Kg/h)

(ρy. ωy¿ ¿tb: tốc độ hơi (khí) trung bình đi trong tháp (Kg/m2.s)

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng và đoạn cất khác nhau. Do đó, đường kínhđoạn chưng và đoạn cất cũng khác nhau. Vì lượng hơi và lượng lỏng thay đổi theo chiềucao của tháp và khác nhau trong mỗi đoạn cho nên ta phải tính lượng hơi trung bình riêngcho từng đoạn.

gd: lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (kg/h)

g1: lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của chưng (kg/h)

Xác định gD

MtbD=MC. xD+MT.

(

1−xD)=¿ 119,5.0,8502 + 154.(1 – 0,8502) = 124,67 (kg/kmol) gD = GD.(R + 1) = D.MtbD. ( R+1)=¿ 3,4947.124,67.(17,1818 + 1) = 7921,243 (kg/h) = 63,54 (kmol/h)

</div>Trang 39<div class="page_container" data-page="39">

(công thức IX.92 trang 181, tài liệu tham khảo [3])

Xác định g1

Ta có hệ phương trình cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng sau:

g1. y1=G1. x1+D . xDg1. r1=gD.rD

(công thức IX.93, IX.94, IX.95 trang 182, tài liệu tham khảo [3])Trong đó:

G1: lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn cất (kmol/h)

r1: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn cất (kcal/kg)rd : ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi ra ở đỉnh tháp (kcal/kg)

Tính r1:

Với t1 = tF = 76,7553oC , tra bảng I.212 trang 254 và I.213 trang 254, tài liệu tham khảo [2] và nội suy giá trị ẩn nhiệt hóa hơi theo nhiệt độ tF = 76,7553oC , ta có:

- Ẩn nhiệt hóa hơi của Chloroform: rC = 57,5 (kcal/kg) = 28768,55 (kJ/kmol)

- Ẩn nhiệt hóa hơi của Tetrachloromethane: rT = 46,6 (kcal/kg) = 30046,15 (kJ/kmol)Suy ra: r1 = rC.y1 + (1 – y1). rT

= 28768,55.y1 + (1 – y1).30046,15= -1277,6.y1 + 30046,15

Tính rD:

Với tD = 76,62 oC , tra bảng I.212 trang 254 và I.213 trang 254, tài liệu tham khảo [2] và nội suy giá trị ẩn nhiệt hóa hơi theo nhiệt độ tD = 76,62 oC , ta có:

- Ẩn nhiệt hóa hơi của Chloroform: rC = 57,48 (kcal/kg) = 28758,54 (kJ/kmol)

- Ẩn nhiệt hóa hơi của Tetrachloromethane: rT = 46,58 (kcal/kg) = 30033,26 (kJ/kmol)

xD = 0,8502 tra theo đường cân bằng yD = 0,8547Suy ra: rD=yD. rCHCl3+