thiết kế tháp chưng cất hệ benzen -toluen hoạt động liên tục với năng suất nhập liệu là 2500 kg/h có nồng độ 25% mol benzen

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (943.06 KB, 75 trang )

MỤC LỤC
MỤC LỤC.....................................................................................................................i
DANH MỤC BẢNG...................................................................................................iii
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT...................................1
1.1Lý thuyết về chưng cất..................................................................................................1
1.1.1Khái niệm...............................................................................................................1
1.1.2Phương pháp chưng cất..........................................................................................1
1.1.3Thiết bị chưng cất...................................................................................................2
1.2Giới thiệu về nguyên liệu..............................................................................................3
1.2.1Benzen & Toluen....................................................................................................3
1.2.2Các phương thức điều chế......................................................................................4
1.2.3Hỗn hợp benzen – toluen :......................................................................................5
1.2.4Sơ đồ quy trình công nghệ......................................................................................5
1.2.5Thuyết minh quy trình:...........................................................................................6

CHƯƠNG 2 CÂN BẰNG VẬT CHẤT.......................................................................8
2.1Các thông số ban đầu.....................................................................................................8
2.2Xác định suất lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy..................................................8
2.3 Xác định tỉ số hoàn lưu thích hợp..............................................................................10
2.3.1Tỉ số hoàn lưu tối thiểu.........................................................................................10

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN – THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT..............................15
3.1Đường kính tháp (Dt)..................................................................................................15
3.1.1Đường kính đoạn cất :..........................................................................................15
3.1.2Đường kính đoạn chưng.......................................................................................17
3.2Chiều cao tháp chưng cất............................................................................................20
3.3Mâm lỗ – trở lực của mâm..........................................................................................20
3.2.1Cấu tạo mâm lỗ.....................................................................................................20
3.2.2 Độ giảm áp của pha khí qua một mâm................................................................21
3.2.3 Độ giảm áp qua mâm khô....................................................................................21
3.2.4Độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm..............................................22

3.2.5 Độ giảm áp do sức căng bề mặt..........................................................................23
3.4Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động :........................................................................25
3.5Kích thước ống chảy chuyền:......................................................................................26
3.6Tính toán cơ khí của tháp............................................................................................27
3.4.1Bề dày thân tháp...................................................................................................27
3.4.2 Đáy và nắp thiết bị...............................................................................................29
3.4.2.1Bích ghép thân, đáy và nắp...............................................................................29
3.4.2.2Đường kính các ống dẫn – Bích ghép các ống dẫn :.........................................30
Tai treo và chân đỡ:......................................................................................................35

CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT – THIẾT BỊ PHỤ...........38
4.1Cân bằng năng lượng cho hệ thống.............................................................................38
4.2Tính toán thiết bị phụ:.................................................................................................39
4.2.1Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh:.........................................................................39
4.2.2Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh........................................................................44
4.2.3 Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy..........................................................................49
4.2.4Thiết bị đun sôi dòng nhập liệu............................................................................53

i

4.2.5Bồn cao vị.............................................................................................................58
4.2.6 Bơm.....................................................................................................................62

TÀI LIỆU THAM KHẢO..........................................................................................68

ii

DANH MỤC BẢNG

MỤC LỤC.....................................................................................................................i
DANH MỤC BẢNG...................................................................................................iii
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT...................................1
1.1Lý thuyết về chưng cất..................................................................................................1
1.1.1Khái niệm...............................................................................................................1
1.1.2Phương pháp chưng cất..........................................................................................1
1.1.3Thiết bị chưng cất...................................................................................................2
1.2Giới thiệu về nguyên liệu..............................................................................................3
1.2.1Benzen & Toluen....................................................................................................3
1.2.2Các phương thức điều chế......................................................................................4
1.2.3Hỗn hợp benzen – toluen :......................................................................................5
1.2.4Sơ đồ quy trình công nghệ......................................................................................5
1.2.5Thuyết minh quy trình:...........................................................................................6

CHƯƠNG 2 CÂN BẰNG VẬT CHẤT.......................................................................8
2.1Các thông số ban đầu.....................................................................................................8
2.2Xác định suất lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy..................................................8
2.3 Xác định tỉ số hoàn lưu thích hợp..............................................................................10
2.3.1Tỉ số hoàn lưu tối thiểu.........................................................................................10
2.3.1.1.Xác định số mâm lý thuyết...........................................................................10
2.3.1.2.Xác định số mâm thực tế..............................................................................12

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN – THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT..............................15
3.1Đường kính tháp (Dt)..................................................................................................15
3.1.1Đường kính đoạn cất :..........................................................................................15
3.1.1.1Lượng hơi trung bình đi trong tháp :.............................................................15
3.1.1.2Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp...............................................................16
3.1.2Đường kính đoạn chưng.......................................................................................17
3.1.2.1Lượng hơi trung bình đi trong tháp...............................................................17
3.1.2.2Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp...............................................................18

3.2Chiều cao tháp chưng cất............................................................................................20
3.3Mâm lỗ – trở lực của mâm..........................................................................................20
3.2.1Cấu tạo mâm lỗ.....................................................................................................20
3.2.2 Độ giảm áp của pha khí qua một mâm................................................................21
3.2.3 Độ giảm áp qua mâm khô....................................................................................21
3.2.4Độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm..............................................22
3.2.5 Độ giảm áp do sức căng bề mặt..........................................................................23
3.4Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động :........................................................................25
3.5Kích thước ống chảy chuyền:......................................................................................26
3.6Tính toán cơ khí của tháp............................................................................................27
3.4.1Bề dày thân tháp...................................................................................................27
3.4.1.1Áp suất tính toán :.........................................................................................27
3.4.1.2Nhiệt độ tính toán :........................................................................................28
3.4.1.3Xác định bề dày thân chịu áp suất trong.......................................................28
3.4.2 Đáy và nắp thiết bị...............................................................................................29
3.4.2.1Bích ghép thân, đáy và nắp...............................................................................29

iii

3.4.2.2Đường kính các ống dẫn – Bích ghép các ống dẫn :.........................................30
Vị trí nhập liệu :.......................................................................................................31
Ống hơi ở đỉnh tháp:.................................................................................................32
Ống hoàn lưu:...........................................................................................................32
Ống dẫn hơi vào đáy tháp:........................................................................................33
Ống dẫn chất lỏng ở đáy tháp:..................................................................................34
Ống dẫn chất lỏng từ nồi đun (sản phẩm đáy):........................................................35
Tai treo và chân đỡ:......................................................................................................35
Tính trọng lượng của toàn tháp:...............................................................................35
Chân đỡ tháp:...........................................................................................................36

Tai treo:....................................................................................................................36

CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT – THIẾT BỊ PHỤ...........38
4.1Cân bằng năng lượng cho hệ thống.............................................................................38
4.2Tính toán thiết bị phụ:.................................................................................................39
4.2.1Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh:.........................................................................39
1.1.1Áp dụng công thức (V.140), trang 49, [6]:.......................................................44
4.2.2Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh........................................................................44
4.2.3 Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy..........................................................................49
4.2.4Thiết bị đun sôi dòng nhập liệu............................................................................53
4.2.5Bồn cao vị.............................................................................................................58
Tổn thất đường ống dẫn:..........................................................................................58
Tổn thất đường ống dẫn trong thiết bị đun sôi dòng nhập liệu;...............................60
Chiều cao bồn cao vị:...............................................................................................61
4.2.6 Bơm.....................................................................................................................62
Năng suất:.................................................................................................................62
Cột áp:......................................................................................................................63
Công suất:.................................................................................................................65

TÀI LIỆU THAM KHẢO..........................................................................................68

iv

DANH MỤC HÌNH
MỤC LỤC.....................................................................................................................i
DANH MỤC BẢNG...................................................................................................iii
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT...................................1
1.1Lý thuyết về chưng cất..................................................................................................1
1.1.1Khái niệm...............................................................................................................1

1.1.2Phương pháp chưng cất..........................................................................................1
1.1.3Thiết bị chưng cất...................................................................................................2
1.2Giới thiệu về nguyên liệu..............................................................................................3
1.2.1Benzen & Toluen....................................................................................................3
1.2.2Các phương thức điều chế......................................................................................4
1.2.3Hỗn hợp benzen – toluen :......................................................................................5
1.2.4Sơ đồ quy trình công nghệ......................................................................................5
1.2.5Thuyết minh quy trình:...........................................................................................6

CHƯƠNG 2 CÂN BẰNG VẬT CHẤT.......................................................................8
2.1Các thông số ban đầu.....................................................................................................8
2.2Xác định suất lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy..................................................8
2.3 Xác định tỉ số hoàn lưu thích hợp..............................................................................10
2.3.1Tỉ số hoàn lưu tối thiểu.........................................................................................10
2.3.1.1.Xác định số mâm lý thuyết...........................................................................10
2.3.1.2.Xác định số mâm thực tế..............................................................................12

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN – THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT..............................15
3.1Đường kính tháp (Dt)..................................................................................................15
3.1.1Đường kính đoạn cất :..........................................................................................15
3.1.1.1Lượng hơi trung bình đi trong tháp :.............................................................15
3.1.1.2Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp...............................................................16
3.1.2Đường kính đoạn chưng.......................................................................................17
3.1.2.1Lượng hơi trung bình đi trong tháp...............................................................17
3.1.2.2Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp...............................................................18
3.2Chiều cao tháp chưng cất............................................................................................20
3.3Mâm lỗ – trở lực của mâm..........................................................................................20
3.2.1Cấu tạo mâm lỗ.....................................................................................................20
3.2.2 Độ giảm áp của pha khí qua một mâm................................................................21
3.2.3 Độ giảm áp qua mâm khô....................................................................................21

3.2.4Độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm..............................................22
3.2.5 Độ giảm áp do sức căng bề mặt..........................................................................23
3.4Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động :........................................................................25
3.5Kích thước ống chảy chuyền:......................................................................................26
3.6Tính toán cơ khí của tháp............................................................................................27
3.4.1Bề dày thân tháp...................................................................................................27
3.4.1.1Áp suất tính toán :.........................................................................................27
3.4.1.2Nhiệt độ tính toán :........................................................................................28
3.4.1.3Xác định bề dày thân chịu áp suất trong.......................................................28
3.4.2 Đáy và nắp thiết bị...............................................................................................29
3.4.2.1Bích ghép thân, đáy và nắp...............................................................................29

v

3.4.2.2Đường kính các ống dẫn – Bích ghép các ống dẫn :.........................................30
Vị trí nhập liệu :.......................................................................................................31
Ống hơi ở đỉnh tháp:.................................................................................................32
Ống hoàn lưu:...........................................................................................................32
Ống dẫn hơi vào đáy tháp:........................................................................................33
Ống dẫn chất lỏng ở đáy tháp:..................................................................................34
Ống dẫn chất lỏng từ nồi đun (sản phẩm đáy):........................................................35
Tai treo và chân đỡ:......................................................................................................35
Tính trọng lượng của toàn tháp:...............................................................................35
Chân đỡ tháp:...........................................................................................................36
Tai treo:....................................................................................................................36

CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT – THIẾT BỊ PHỤ...........38
4.1Cân bằng năng lượng cho hệ thống.............................................................................38
4.2Tính toán thiết bị phụ:.................................................................................................39

4.2.1Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh:.........................................................................39
1.1.1Áp dụng công thức (V.140), trang 49, [6]:.......................................................44
4.2.2Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh........................................................................44
4.2.3 Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy..........................................................................49
4.2.4Thiết bị đun sôi dòng nhập liệu............................................................................53
4.2.5Bồn cao vị.............................................................................................................58
Tổn thất đường ống dẫn:..........................................................................................58
Tổn thất đường ống dẫn trong thiết bị đun sôi dòng nhập liệu;...............................60
Chiều cao bồn cao vị:...............................................................................................61
4.2.6 Bơm.....................................................................................................................62
Năng suất:.................................................................................................................62
Cột áp:......................................................................................................................63
Công suất:.................................................................................................................65

TÀI LIỆU THAM KHẢO..........................................................................................68

vi

LỜI MỞ ĐẦU
Một trong những ngành có sự đóng góp to lớn đến nền công nghiệp nước ta
nói riêng và thế giới nói chung, đó là ngành Công nghệ Hóa học.
Hiện nay, trong nhiều ngành sản xuất hóa chất cũng như sử dụng sản phẩm
hóa học, nhu cầu sử dụng nguyên liệu hoặc sản phẩm có độ tinh khiết cao phải phu
hợp với quy trình sản xuất hoặc nhu cầu sử dụng.
Ngày nay, các phương pháp được sử dụng để nâng cao độ tinh khiết như trích
ly, chưng cất, cô đặc, hấp thu,... Tuy theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có
sự lựa chọn phương pháp thích hợp. Đối với hệ benzen – toluen là hai cấu tử hòa
tan vào nhau và có nhiệt độ sôi khác xa nhau nên ta chọn phương pháp chưng cất
tách các cấu tử trong hỗn hợp và thu được benzen có độ tinh khiết cao.

Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị là môn học mang tinhd tổng hợp trong
quá trình học tập của các kỹ sư hóa trong tương lai. Môn học giúp sinh viên giải
quyết nhiệm vụ tính toán cụ thể về yêu cầu công nghệ, kết cấu, điều kiện vận hành,
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 vào giải quyết nhũng
vấn đề kỹ thuật trong thực tế một cách tổng quát.
Nhiệm vụ của môn học này là thiết kế tháp chưng cất hệ benzen - toluen hoạt
động liên tục với năng suất nhập liệu là 2500 kg/h có nồng độ 25% mol benzen, thu
được sản phẩm đỉnh có nồng độ 95% mol benzen và sản phẩm đáy có nồng độ là
5% mol benzen.
Em chân thành cảm ơn các quý thầy cô bộ môn Công nghệ Hóa học và bộ
môn Công Nghệ Thực phẩm, các bạn sinh viên đã giúp em hoàn thành đồ án này.
Tuy nhiên, trong quá trình hoàn thành đồ án không thể tránh những sai sót, em rất
mong quý thầy cô và các bạn góp ý, chỉ dẫn.

vii

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CHƯNG
CẤT
1.1

Lý thuyết về chưng cất
1.1.1

Khái niệm

Chưng cất là quá trình dung để tách các cấu tử của hỗn hợp lỏng cũng như hỗn
hợp khí lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu
tử trong hỗn hợp (nghĩa là khi ở cung nhiệt độ, áp suất hơi bão hoà của các cấu tử

khác nhau).
 Thay vì đưa vào trong hỗn hợp một pha mới để tạo nên sự tiếp xúc giữa hai
pha như trong quá trình hấp thu hoặc nhả khí, trong quá trình chưng cất pha mới
được tạo nên bằng sự bốc hơi hoặc ngưng tụ.
 Chưng cất và cô đặc khá giống nhau, tuy nhiên sự khác nhau căn bản nhất
của 2 quá trình này là trong quá trình chưng cất dung môi và chất tan đều bay hơi
(nghĩa là các cấu tử đều hiện diện trong cả hai pha nhưng với tỷ lệ khác nhau), còn
trong quá trình cô đặc thì chỉ có dung môi bay hơi còn chất tan không bay hơi.
 Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ
thu được bấy nhiêu sản phẩm. Nếu xét hệ đơn giản chỉ có 2 cấu tử thì ta sẽ thu được
2 sản phẩm:
 Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt độ sôi nhỏ)
 Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi nhỏ (nhiệt độ sôi lớn)
 Đối với hệ Benzen – Toluen
 Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm benzen và một ít toluen.
 Sản phẩm đáy chủ yếu là toluen và một ít benzen.
1.1.2

Phương pháp chưng cất

Các phương pháp chưng cất được phân loại theo :
 Áp suất làm việc
 Áp suất thấp
 Áp suất thường
 Áp suất cao

Đồ án Quá trình và Thiết bị hóa chất

1

Chương 1 Tổng quan về quá trình chưng cất

 Nguyên tắc làm việc: dựa vào nhiệt độ sôi của các cấu tử, nếu nhiệt độ
sôi của các cấu tử quá cao thì ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi của các
cấu tử.
Nguyên lí làm việc:
 Chưng một bậc
 Chưng lôi cuốn theo hơi nước
 Chưng cất
Cấp nhiệt ở đáy tháp:
• Cấp nhiệt trực tiếp
• Cấp nhiệt gián tiếp
Vậy: Đối với hệ Benzen – Toluen, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục
ở áp suất thường.
1.1.3

Thiết bị chưng cất

Trong sản xuất, người ta thường dung nhiều loại thiết bị khác nhau để tiến
hành chưng cất. Tuy nhiên, yêu cầu cơ bản chung của các thiết bị vẫn giống nhau
nghĩa là diện tích tiếp xúc pha phải lớn. Điều này phụ thuộc vào mức độ phân tán
của một lưu chất này vào lưu chất kia. Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta có các
loại tháp mâm, nếu pha lỏng phân tán vào pha khí ta có tháp chêm, tháp phun,… Ở
đây ta khảo sát 2 loại thường dung là tháp mâm và tháp chêm.
1.

Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm
có cấu tạo khác nhau, trên đó pha lỏng và pha hơi đượ cho tiếp xúc với nhau. Tuỳ
theo cấu tạo của đĩa, ta có:

2.

Tháp mâm chóp: trên mâm bố trí có chóp dạng tròn, xupap,…

3.

Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh.

4.

Tháp chêm (tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối với nhau
bằng mặt bích hay hàn. Vật chêm được cho vào tháp theo một trong hai phương
pháp sau : xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự.

Đồ án Quá trình và Thiết bị hóa chất

2

Chương 1 Tổng quan về quá trình chưng cất

Tháp chêm
- Cấu tạo khá đơn giản.
Ưu
điểm

Tháp mâm xuyên lỗ

Tháp chóp

- Trở lực tương đối
thấp.

- Khá ổn
định.

- Làm việc được với chất lỏng
bẩn nếu dung đệm cầu có ρ ≈ ρ
của chất lỏng.

- Hiệu suất khá cao.

- Hiệu suất
cao.

- Do có hiệu ứng thành → hiệu
suất truyền khối thấp.

- Không làm việc được
với chất lỏng bẩn.

- Có trở lực
lớn.

- Độ ổn định không cao, khó
vận hành.

- Kết cấu khá phức tạp.

- Tiêu tốn

nhiều vật tư,
kết cấu phức
tạp.

- Trở lực thấp.

Nhược
→ khi
điểm - Do có hiệu ứng thành
tăng năng suất thì hiệu ứng
thành tăng → khó tăng năng
suất.
- Thiết bị khá nặng nề.

Bảng 1.1 so sánh ưu nhược điểm của các loại tháp
Vậy qua phân tích trên ta sử dụng tháp mâm chóp để chưng cất hệ Benzen –
Toluen.

1.2

Giới thiệu về nguyên liệu

1.2.1 Benzen & Toluen
Benzen là một hợp chất mạch vòng, ở dạng lỏng không màu và có mui thơm
nhẹ.Công thức phận tử là C6H6. Benzen không phân cực, vì vậy tan tốt trong các
dung môi hữu cơ không phân cực và tan rất ít trong nước. Trước đây người ta
thường sử dụng benzen làm dung môi. Tuy nhiên sau đó người ta phát hiện ra rằng
nồng độ benzen trong không khí chỉ cần thấp khoảng 1ppm cũng có khả năng gây ra
bệnh bạch cầu, nên ngày nay benzen được sử dụng hạn chế hơn
Các tính chất vật lí của benzen:



Khối lượng phân tử: 78,11



Tỉ trọng (20oC): 0,879

Đồ án Quá trình và Thiết bị hóa chất

3

Chương 1 Tổng quan về quá trình chưng cất



Nhiệt độ sôi: 80°C



Nhiệt độ nóng chảy: 5,5°C

Toluen là một hợp chất mạch vòng, ở dạng lỏng và có tính thơm, công thức
phân tử tương tự như benzen có gắn thêm nhóm –CH 3. Không phân cực, do đó
toluen tan tốt trong benzen.Toluen có tính chất dung môi tương tự benzen nhưng
độc tính thấp hơn nhiều, nên ngày nay thường được sử dụng thay benzen làm dung
môi trong phòng thí nghiệm và trong công nghiệp.
Các tính chất vật lí của toluen:
o Khối lượng phân tử : 92,13

o Tỉ trọng (20oC) : 0,866
o Nhiệt độ sôi : 111oC
o Nhiệt độ nóng chảy : -95 oC
1.2.2 Các phương thức điều chế


Đi từ nguồn thiên nhiên

Thông thường các hydrocacbon ít được điều chế trong phòng thí nghiệm, vì
có thể thu được lượng lớn nó bằng phương pháp chưng cất than đá, dầu mỏ…


Đóng vòng và dehydro hóa ankan


Các ankan có thể tham gia đóng vòng và dehydro hóa tạo thành hydro
cacbon thơm ở nhiệt độ cao và có mặt xúc tác như Cr 2O3, hay các lim loại chuyển
tiếp như Pd, Pt
CH3(CH2)4CH3 → C6H6


Dehydro hóa các cycloankan

Các cycloankan có thể bị dehydro hóa ở nhiệt độ cao với sự có mặt của
các xúc tác kim loại chuyển tiếp tạo thành benzen hay các dẫn xuất của benzen
C6H12 → C6H6


Đi từ acetylen

Đun acetane trong sự có mặt cảu của xúc tác là than hoạt tính hay phức của
niken như Ni(CO)[(C6H5)P] sẽ thu được benzen
3C2H2 → C6H6

Đồ án Quá trình và Thiết bị hóa chất

4

Chương 1 Tổng quan về quá trình chưng cất


Từ benzen ta có thể điều chế được các dẫn xuất của benzen như
toluen bằng phản ứng Friedel - Crafts (phản ứng ankyl hóa benzen bằng các dẫn
xuất ankyl halide với sự có mặt cảu xúc tác AlCl3 khan)
C6H6 + CH3- Cl → C6H5-CH3
1.2.3 Hỗn hợp benzen – toluen :
Ta có bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Benzen
– Toluen ở 760 mmHg.[4]
x (%
mol)
y (%
mol)
t (oC)

phân
phân

0

5

10

20

0

11,8

21,4

38

110,6

108,3

106,
1

102,2

30

40

50

60

51,
1
98,
6

61,
9

71,2 79

95,2 92,1 89,4

70

80

85,4 91
86,
8

90

100

95,9 100

84,4 82,3 80,2

1.2.4 Sơ đồ quy trình công nghệ

Kí hiệu trong quy trình:
1. Bồn chứa nguyên liệu.
2. Bơm.
3. Bồn cao vị.
4. Thiết bị đun sôi dòng nhập liệu.
5. Lưu lượng kế.
6. Nhiệt kế.
7. Tháp chưng cất.
8. Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh.
9. Áp kế.
10. Thiết bị đun sôi đáy tháp.
11. Bồn chứa sản phẩm đáy.
12. Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh.
13. Bồn chứa sản phẩm đỉnh.

Đồ án Quá trình và Thiết bị hóa chất

5

Chương 1 Tổng quan về quá trình chưng cất

1.2.5 Thuyết minh quy trình:
Hỗn hợp Benzen – Toluen có nồng độ Benzen là 25% mol, nhiệt độ nguyên
liệu lúc đầu là 30oC tại bình chứa nguyên liệu (1), được bơm (2) bơm lên bồn cao vị
(3). Dòng nhập liệu được gia nhiệt tới nhiệt độ sôi trong thiết bị truyền nhiệt ống
lồng ống. Sau đó hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất (7) ở đĩa nhập liệu và bắt
đầu quá trình chưng cất. Lưu lượng dòng nhập liệu được kiểm soát qua lưu lượng
kế (5).
Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn luyện của tháp

chảy xuống. Trong tháp, hơi đi dưới lên gặp lỏng đi từ trên xuống. Ở đây có sự tiếp
xúc và trao đổi giữa hai pha với nhau. Pha lỏng chuyển động trong phần chưng càng
xuống phía dưới càng giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi tạo nên
từ nồi đun (10) lôi cuốn cấu tử dễ bay hơi. Nhiệt độ càng lên trên càng thấp, nên khi
hơi đi qua các đĩa từ dưới lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao là toluen sẽ ngưng tụ lại,
cuối cung trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử benzen chiếm nhiều nhất
(nồng độ 95% mol). Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ (8) được ngưng tụ hoàn toàn.
Một phần chất lỏng ngưng tụ đi qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (12), được
làm nguội bằng thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống (12) rồi được đưa qua bồn chứa
sản phẩm đỉnh (14). Phần còn lại của chất lỏng ngưng tụ được hoàn lưu về tháp ở
đĩa trên cung với tỉ số hoàn lưu thích hợp và được kiểm soát bằng lưu lượng kế.
Cuối cung ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng hầu hết là cấu tử khó bay hơi
(Toluen). Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độ Benzen là 5% mol, còn lại là Toluen.
Dung dịch lỏng ở đáy đi ra khỏi tháp vào nồi đun (10). Trong nồi đun dung dịch
lỏng một phần sẽ bốc hơi cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại ra
khỏi nồi đun được cho vào bồn chứa sản phẩm đáy (11).
Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là benzen, sản phẩm đáy là
toluen

Đồ án Quá trình và Thiết bị hóa chất

6

Chng 1 Tụng quan vờ qua trinh chng cõt

CBHD: Vu Trng Sn

3

8

Nửụực laứm laùnh
t = 30C

t = 40C

4

Hụi ủoỏt
P = 1,2 at

T P

12

9

7

13

6
T

Nửụực
ngửng

5

T

2

1

10

Hụi ủoỏt
P = 2 at

11
Nửụực
ngửng

ụ an qua trinh thiờt bi _ Nhom 3

7

CHƯƠNG 2 CÂN BẰNG VẬT CHẤT
2.1

Các thông số ban đầu
− Năng suất theo nhập liệu

: 2500 kg/giờ

− Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong nhập liệu

: 25% mol benzen

− Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đỉnh: 95% mol benzen
− Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy : 5% mol benzen
− Nguyên liệu vào hệ thống ở nhiệt độ sôi
− Quá trình làm việc trong thiết bị ở áp suất thường.
− Loại thiết bị sử dụng là tháp mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền
− Khối lượng phân tử của benzen và toluene : MB = 78, MT = 92 .
• Chọn
+ Nhiệt độ nhập liệu: tF = 30oC .
+ Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội: tD = 35oC .
+ Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt: tW = 35oC .
• Các ký hiệu:

GF, GD, GW: Lượng nguyên liệu đầu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy.
aF, aD, aW: Phần khối lượng của Benzen ở hỗn hợp đầu, đỉnh và đáy.
xF, xD, xW: Phần mol của Benzen trong pha lỏng ở hỗn hợp đầu, đỉnh và đáy.
yF, yD, yW: Phần mol của Benzen trong pha hơi ở hỗn hợp đầu, đỉnh và đáy.

2.2

Xác định suất lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy

Vì đề bài cho theo % mol nên phải đổi sang % khối lượng để tính lượng sản
phẩm đỉnh và sản phẩm đáy.
Ta có

a=

x.M B

x.M B
+ (1 − x).M T

aF =

x F .M B
0,25 × 78
= 0,25 + (1 − 0,25) × 92 = 0,22
x F .M B + (1 − x F ).M T

aD =

x D .M B
0,95.78
= 0,95.78 + (1 −0,95).92 = 0,94
x D .M B + (1 − x D ).M T

Đồ án Quá trình và Thiết bị hóa chất

8

Chương 2 Cân bằng vật chất

aW =

CBHD: Vũ Trường Sơn

xW .M B

0,05.78
= 0,05.78 + (1 −0,05).92 = 0,04
xW .M B + (1 − xW ).M T

Phương trình cân bằng vật chất cho toàn tháp
GF = GD + GW

(1) [5] trang 144

Phương trình cân bằng vật chất đối với cấu tử dễ bay hơi (Benzen)
GF .aF = GD .aD + GW .aW

(2)

[5] trang 144

Giải hệ phương trình (1) và (2) ta được:
Lượng dòng sản phẩm đỉnh:
GD = 500 kg/h
Lượng dòng sản phẩm đáy:
GW = 2000 kg/h
Bảng 2.1. Thành phần cân bằng lỏng (x), hơi (y) tính theo % mol và nhiệt độ
sôi của hỗn hợp 2 cấu tử Benzen – Toluen ở 760 mmHg.

x 0

0,05

0,1

y 0

0,118

0,214 0,38

t

108,3

106,1 102,2 98,6

110,6

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,511 0,619 0,712 0,79 0,854 0,91
95,2

92,1

89,4 86,8

84,4

0,9

1

0,959

1

82,3

80,2

Dựa vào bảng này ta vẽ được đường cân bằng ycb= f(x) và xác định được phần
mol (y) và nhiệt độ sôi tương ứng.
Bảng 2.2. Thành phần Benzen – Toluen trong hỗn hợp

Nhiệt độ sôi (°C)

Thành phần của Benzen trong hỗn hợp
% Khối lượng

Phần mol x

Phần mol y

tF = 100,4

aF = 0,22

xF = 0,25

yF = 0,446

tD = 81,25

aD = 0,94

xD = 0,95

yD = 0,98

tW =108,3

aW = 0,04

xW = 0,05

yW = 0,118

Đồ án quá trình thiết bị _ Nhóm 3

9

Chương 2 Cân bằng vật chất

2.3

CBHD: Vũ Trường Sơn

Xác định tỉ số hoàn lưu thích hợp

2.3.1 Tỉ số hoàn lưu tối thiểu
2.3.1.1. Xác định số mâm lý thuyết
Tỉ số hồi lưu tối thiểu
Rmin =

xD − yF

*

*

yF − xF

=

0,95 − 0,446
0,446 −0,25

= 2,57 [5] trang 158

Trong đó: yF* là nồng độ cân bằng ứng với xF

Tỉ số hồi lưu làm việc
Thường được xác định qua tỉ số hồi lưu tối thiểu
R = b. Rmin

Trong đó: hệ số dư b = 1,2 ÷ 2,5

Với các giá trị Ri > Rmin ta tìm được các giá trị tung độ Bi tương ứng
Bi =

xD
Ri +1

Vẽ các đường làm việc của đoạn luyện ứng với các giá trị B i đó. Từ đó qua đồ
thị ta tìm được các giá trị Ni tương ứng. Từ các giá trị Ni tìm được ta thành lập các
giá trị tương ứng Ni(Ri + 1)
Bảng 2.3. Quan hệ tỉ số hồi lưu thích hợp với Ni
B

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

2,2

2,4

2,5

Ri

3,08

3,6

4,11

4,63

5,14

5,65

6,17

6,43

Bi

0,233

0,207

0,186

0,169

0,155

0,143

0,132

0,128

Ni

14

12

10,5

10

9,2

9

8,7

8,5

Ni(Ri+ 1)

54,63

47,40

46,88

48,82

53,61

58,65

61,10

62,81

Thiết lập quan hệ phụ thuộc giữa Ri và Ni(Ri+ 1)trên đồ thị. Điểm cực tiểu của
đường cong vẽ được cho ta giá trị thể tích thiết bị bé nhất và ứng với điểm đó ta xác
định được tỉ số hồi lưu thích hợp Rlt
Từ đồ thị bên dưới ta xác định được:
Rlt = 4,11 ; Blt = 0,186

Đồ án quá trình thiết bị _ Nhóm 3

10

Chương 2 Cân bằng vật chất

CBHD: Vũ Trường Sơn

Từ đó suy ra Nlt = 10,5 mâm

Hình 2.1 Đồ thị xác định số mâm lý thuyết

Hình 2.2 đồ thị biểu diễn quan hệ giữa R và N(R+1)

Đồ án quá trình thiết bị _ Nhóm 3

11

Chương 2 Cân bằng vật chất

CBHD: Vũ Trường Sơn

2.3.1.2. Xác định số mâm thực tế
Từ số liệu ở [4] trang 92 và thực hiện phép nội suy ta xác định được độ nhớt
của Benzen và Toluen ở nhiệt độ và nồng độ tương ứng.
Bảng 2.4. Độ nhớt của hỗn hợp
Độ nhớt (cP)

Đỉnh tháp

Giữa tháp

Đáy tháp

µB

0,313

0,263

0,244

µT

0,316

0,273

0,255

Độ nhớt hỗn hợp được tính theo công thức:
lg µhh = x1. µ1 + x2. µ2

[4] trang 84

Trong đó:

x1, x2: nồng độ mol của Benzen và Toluen
µ1 , µ2 : độ nhớt động lực của Benzen và Toluen

Độ nhớt sản phẩm đỉnh:
lg µD = xD. µ1D + x2. µ2 D
= 0,95.lg0,313 + (1 – 0,95).lg0,316 = -0,5042

⇒ µD = 10(-0,5042) = 0,313 CP
Độ nhớt nguyên liệu đầu:

lg µF = xF. µ1F + x2. µ2 F
= 0,25.lg0,263 + (1 – 0,25).lg0,273 = -0,568

⇒ µF = 10(-0,568) = 0,27 CP
Độ nhớt sản phẩm đáy:
lg µW = xW. µ1W + x2. µ2W
= 0,05.lg0,244 + (1 – 0,05).lg0,255 = -0,5944

⇒ µW = 10(-0,5944) = 0,2544 CP
Độ bay hơi tương đối được tính theo công thức:

α =

y
1 −x
.
1−y
x

Trong đó, x,y: nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng và hơi
Đồ án quá trình thiết bị _ Nhóm 3

12

Chương 2 Cân bằng vật chất

CBHD: Vũ Trường Sơn

Độ bay hơi tương đối của sản phẩm đỉnh:

αD =

yD
1 − xD
0,98
1 −0,95
.
= 1 −0,98 . 0,95 = 2,579
1 − yD
xD

Độ bay hơi tương đối của nguyên liệu đầu:
αF =

yF
1 − xF
0,446
1 −0,25
.
= 1 −0,446 . 0,25 = 2,415
1 − yF
xF

Độ bay hơi tương đối của sản phẩm đáy:
αW =

yW
1 − xW
0,118
1 −0,05

.
= 1 −0,118 . 0,05 = 2,542
1 − yW
xW

Số mâm thực tế được tính theo công thức:
Nt =

N lt

[5] trang 170

ηtb

Trong đó: Nlt : số mâm lý thuyết
ηtb : hiệu suất trung bình của thiết bị
ηtb =

η1 + η 2 + ... + η n
n

Với η1 , η2 , ηn : hiệu suất của các bậc thay đổi nồng độ
n: số mâm tính hiệu suất
Hiệu suất trung bình là hàm số của độ bay hơi tương đối của hỗn hợp và độ
nhớt của hỗn hợp lỏng ηtb = f( α . µ )
Ta có:

αD . µD = 2,579. 0,313 = 0,807
αF . µF = 2,415. 0,27 = 0,652
αW . µW

= 2,542. 0,2544 = 0,646

Khi biết được tích số ( α . µ ) tra (II – 171) ta xác định được hiệu suất tương
ứng
ηD

ηF = 54,42 %

= 51,895 %

ηW =54,31%

⇒ ηtb = 53,542%

⇒ Nt =

N lt

ηtb

=

10,5
0,53542

= 19,6 mâm

Chọn Nt = 20 mâm

Đồ án quá trình thiết bị _ Nhóm 3

13

Chương 2 Cân bằng vật chất

CBHD: Vũ Trường Sơn

Số mâm đoạn chưng: 8 mâm
Số mâm đoạn cất: 11 mâm
Số mâm nhập liệu: 1 mâm

Đồ án quá trình thiết bị _ Nhóm 3

14

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN – THIẾT KẾ THÁP CHƯNG
CẤT
3.1 Đường kính tháp (Dt)
Dt =

4Vtb
g tb
= 0,0188
π.3600.ω tb
( ρ y .ω y ) tb

(m)

Vtb : lượng hơi trung bình đi trong tháp (m3/h).
ωtb : tốc độ hơi trung bình đi trong tháp (m/s).
gtb : lượng hơi trung bình đi trong tháp (kg/h).
Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng và đoạn cất khác nhau. Do đó,
đường kính đoạn chưng và đoạn cất cũng khác nhau .
3.1.1

Đường kính đoạn cất :

3.1.1.1 Lượng hơi trung bình đi trong tháp :
g tb =

g d + g1
(kg/h)
2

gd : lượng hơi ra khỏi đĩa trên cung của tháp (kg/h).
g1 : lượng hơi đi vào đĩa dưới cung của đoạn cất (kg/h).
• Xác định gd : gd = D.(R+1) = 500.(4,11+1) = 2555 (kg/h)
• Xác định g1 : Từ hệ phương trình :
 g1 = G1 + D

 g1 . y1 = G1 .x1 + D.x D
 g .r = g .r
d d
 1 1

(III.1)

Với G1 : lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn cất .
r1 : ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn cất
rd : ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi ra ở đỉnh tháp .
* Tính r1 : t1 = tF = 100,4oC , tra tài liệu tham khảo [4] ta có :
Ẩn nhiệt hoá hơi của benzen: rB1 = 378,57 (kJ/kg) .
Ẩn nhiệt hoá hơi của toluen: rT1 = 368,19 (kJ/kg) .
Suy ra : r1 = rB1.y1 + (1-y1).rT1 = 368,19 + 10,38.y1 (kJ/kg)
* Tính rd : tD = 81,25oC , tra tài liệu tham khảo [4] ta có :

Đồ án Quá trình và Thiết bị hóa chất

15

Chương 3 Tính toán - thiết kế tháp chưng cất

CBHD: Vũ Trường Sơn

Ẩn nhiệt hoá hơi của benzen : rBd = 392,64 (kJ/kg) .
Ẩn nhiệt hoá hơi của toluen : rTd = 377,86 (kJ/kg) .
Suy ra : rd = rBd.yD + (1-yD).rTd =392,64.0,976 + (1- 0,976).377,86
= 392,29 (kJ/kg)
* x1 = xF = 0,22 (theo phân khối lượng)
Giải hệ (III.1) , ta được :
G1 = 2195,98 (kg/h)
y1 = 0,35 (phân khối lượng)
g1 = 2695,98 (kg/h)
Vậy : gtb =

2555 + 2695,98

= 2625,49 (kg/h)
2

3.1.1.2 Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp
Tốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp với mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền:
ωgh = 0,05.

ρ xtb
ρ ytb

Với : ρxtb : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (kg/m3) .
ρytb : khối lượng riêng trung bình của pha hơi (kg/m3) .
• Xác định ρytb :

ρ ytb =

[ ytb .78 + (1 − ytb ).92].273
22,4.( t tb + 273)

Với: + Nồng độ phân mol trung bình : ytb =
+ Nhiệt độ trung bình đoạn cất : ttb =

y1 + y D 0,39 + 0,98
=
= 0,685
2
2

t F + t D 100,4 +81,25
=

= 90,825oC
2
2

Suy ra : ρytb = 2,76 (kg/m3).
• Xác định ρxtb :
Nồng độ phân mol trung bình : xtb =
Suy ra : xtb =

xF + xD
0,25 + 0,95
=
= 0,6
2
2

78.xtb
= 0,56% .
78.xtb + (1 − xtb ).92

Đồ án quá trình thiết bị _ Nhóm 3

16

Chương 3 Tính toán - thiết kế tháp chưng cất

CBHD: Vũ Trường Sơn

ttb = 90,825oC, [4] trang 9, ta có :

ρxtb = 800,48 (kg/m3)
Suy ra : ωgh

= 0,05.

800,48
2,76

= 0,85 (m/s)

Để tránh tạo bọt ta chọn tốc độ hơi trung bình đi trong tháp :
ωh = 0,8.ωgh = 0,8.0,85 = 0,68 (m/s)

Xác định ϕ[σ] : hệ số tính đến sức căng bề mặt
Ta có:
1
1
1
=
+
⇒ σ hh = 10,07.10 −3 N / m = 10,07dyn / cm
σ hh σ B σ T

Với: σB = 19,95.10-3 N/m, σT = 20,36.10-3 N/m (số liệu tra từ bảng I.242
trang 300 tài liệu tham khảo [4])
Ta thấy σhh < 20 theo [5] – tr184 chọn ϕ[σ] = 0,8

(ρ

y

.w y ) tb = 0,065.ϕ [σ ] h.ρ xtb ρ ytb = 0,065.0,8. 0,3.800,48.2,76 = 1,34kg / m 2 .s
Vậy đường kính đoạn cất :
Dcất = 0,0188.
3.1.2

= 0,83 (m).

Đường kính đoạn chưng

3.1.2.1
g , tb =

2624,38
1,34

Lượng hơi trung bình đi trong tháp

g , n + g ,1
(kg/h)
2

g’n : lượng hơi ra khỏi đoạn chưng (kg/h).
g’1 : lượng hơi đi vào đoạn chưng (kg/h).
• Xác định g’n : g’n = g1 = 2693,76 (kg/h)
• Xác định g’1 : Từ hệ phương trình :

G '1 = g '1 + W
 '
'

G 1 .x'1 = g 1 . yW + W .xW
 g ' .r ' = g ' .r ' = g .r
n
n
1 1
 1 1

Đồ án quá trình thiết bị _ Nhóm 3

(III.2)

17

Chương 3 Tính toán - thiết kế tháp chưng cất

CBHD: Vũ Trường Sơn

Với G’1 : lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn chưng .
r’1 : ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng.
_

_

* Tính r’1 : x w = 0,04 tra đồ thị cân bằng của hệ ta có : y w = 0,018
t’1 = tW = 108,3oC , tra tài liệu tham khảo [4], ta có :
Ẩn nhiệt hoá hơi của Benzen : r’B1 = 372,04 (kJ/kg) .
Ẩn nhiệt hoá hơi của Toluen : r’T1 = 363,31 (kJ/kg) .
_

_

Suy ra : r’1 = r’B1. y w + (1- y w ).r’T1 = 364,2 (kJ/kg)
* Tính r1: theo kết quả trên ta có
r1 = 368,19 + 10,38.y1 = 368,19 + 10,38.0,35 = 371,823 (kJ/kg)
* W = 2000 (kg/h)
Giải hệ (III.2) , ta được : x’1 =0,15 (phân khối lượng)
G’1 = 4752,4 (kg/h)
g’1 = 2752,4 (kg/h)
Vậy : g’tb =
3.1.2.2

g n' + g1' 2695,98 + 2752,4
=
= 2724,19 (kg/h)
2
2

Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp

Tốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp với mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền:
ω' gh = 0,05.

ρ' xtb
ρ' ytb

Với : ρ'xtb : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (kg/m3) .
ρ'ytb : khối lượng riêng trung bình của pha hơi (kg/m3) .
• Xác định ρ’ytb :

ρ ' ytb =

[ y 'tb .78 + (1 − y 'tb ).92].273
22,4.( t 'tb +273)

Với: + Nồng độ phân mol trung bình :
y’tb =

y1 + yW 0,39 + 0,118
=
= 0,254
2
2

+ Nhiệt độ trung bình đoạn chưng : t’tb=

Đồ án quá trình thiết bị _ Nhóm 3

t F + tW 100.4 +108,3
=
=104,35oC
2
2

18

thiết kế tháp chưng cất hệ benzen -toluen hoạt động liên tục với năng suất nhập liệu là 2500 kg/h có nồng độ 25% mol benzen

Tài liệu liên quan

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về