THIẾT KẾ THÁP MÂM CHÓP CHƯNG CẤT HỖN HỢP BENZENE TOLUENE CÓ NĂNG SUẤT NHẬP LIỆU 2500 KGH (Autocad + thuyết minh chi tiết)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ THIẾT KẾ THÁP MÂM CHÓP CHƯNG CẤT HỖN.

Trang 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ

THIẾT KẾ THÁP MÂM CHÓP CHƯNG CẤT

HỖN HỢP BENZENE – TOLUENE

CÓ NĂNG SUẤT NHẬP LIỆU 2500 KG/H

GVHD: TS HỒ PHƯƠNG SVTH: 1 Huỳnh Thị Bích Hồng - 18128018

2 Trương Mỹ Quỳnh - 18128051

Trang 2

Tp Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2021TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCMKHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM

1 Tên đồ án: THIẾT KẾ THÁP MÂM CHÓP CHƯNG CẤT HỖN HỢP

BENZENE – TOLUENE CÓ NĂNG SUẤT NHẬP LIỆU 2500 KG/H

2 Nhiệm vụ của đồ án: Thiết kế tháp mâm chóp chưng cất hỗn hợp benzene –

toluene có năng suất nhập liệu 2500 kg/h

3 Các số liệu ban đầu:

Năng suất nhập liệu: 2500 kg/h

Nồng độ nhập liệu: 30% benzene (% khối lượng), nhiệt độ thường

Nồng độ sản phẩm đỉnh: 98% benzene (% khối lượng), nhiệt độ thường

Nồng độ sản phẩm đáy: 2% benzene (% khối lượng)

Các số liệu khác tự chọn

4 Yêu cầu về phần thuyết minh và tính toán:

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

Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng của hệ chưng cất

Trang 3

Tính toán các thông số công nghệ của tháp chưng cất.

Tính cơ khí của tháp chưng cất (bề dày, mặt bích, bu lông, …)

Tính toán và chọn các thiết bị phụ

Tính toán giá thành thiết bị

Kết luận

5 Yêu cầu về trình bày bản vẽ:

Bản vẽ quy trình công nghệ: 01 bản vẽ in khổ A3 và 01 bản vẽ in khổ A1

Bản vẽ thiết bị chính: 01 bản vẽ in khổ A3 và 01 bản vẽ in khổ A1

6 Yêu cầu khác: Thực hiện và thông qua đồ án đúng tiến độ.

7 Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 15/3/2021

8 Ngày hoàn thành đồ án: 15/7/2021

TRƯỞNG BỘ MÔN Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2021

Giảng viên hướng dẫn

Trang 4

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC – THỰC PHẨM

4 Tên đề tài: THIẾT KẾ THÁP MÂM CHÓP CHƯNG CẤT HỖN HỢP

5 Kết quả đánh giá

điểm

Điểm số

2 Lập qui trình công nghệ và tính toán được các chi tiết thiết bị 0 – 2,5 2,25

3 Đánh giá được sự phù hợp, điểm mạnh, yếu của thiết kế 0 – 0,75 0,5

4 Lập được kế hoạch triển khai thực hiện thiết kế 0 – 0,75 0,75

6 Hoàn thành thuyết minh thiết kế đầy đủ, chính xác và logic 0 – 1,0 0,75

8 Thực hiện đúng kế hoạch công việc được GV giao 0 – 0,75 0,75

Trang 5

Hồ Phương

điểm

Điểm số

2 Lập qui trình công nghệ và tính toán được các chi tiết thiết bị 0 – 2,5 2,25

3 Đánh giá được sự phù hợp, điểm mạnh, yếu của thiết kế 0 – 0,75 0,5

4 Lập được kế hoạch triển khai thực hiện thiết kế 0 – 0,75 0,75

6 Hoàn thành thuyết minh thiết kế đầy đủ, chính xác và logic 0 – 1,0 0,75

8 Thực hiện đúng kế hoạch công việc được GV giao 0 – 0,75 0,75

Trang 6

( Ký & ghi rõ họ tên)

Hồ Phương

điểm

Điểm số

1 Lập qui trình công nghệ và tính toán được các chi tiết thiết bị 0 – 2,5

3 Hoàn thành thuyết minh thiết kế đầy đủ, chính xác và logic 0 – 1,0

TỔNG ĐIỂM (Bằng chữ:……….) 10

Ghi chú: GV PHẢN BIỆN cho điểm lẻ tới 0,25 điểm

6 Các nhận xét khác (nếu có)

Trang 8

điểm

Điểm số

1 Lập qui trình công nghệ và tính toán được các chi tiết thiết bị 0 – 2,5

3 Hoàn thành thuyết minh thiết kế đầy đủ, chính xác và logic 0 – 1,0

Trang 10

Lời cảm ơn đến bạn trong nhóm thiết kế tháp chưng cất mâm chóp, chúng ta đã hợptác rất ăn ý và học hỏi nhau nhiều điều bổ ích.

Thông qua việc làm đồ án, chúng em được biết thêm nhiều kiến thức mới, đồng thời

hệ thống lại và vận dụng các kiến thức đã học vào việc tính toán, thiết kế thiết bị đưavào thực tiễn Tuy nhiên, do kiến thức chuyên môn, điều kiện nghiên cứu tài liệu vàthời gian còn hạn chế, chưa có nhiều kinh nghiệm nên không thể tránh khỏi nhữngthiếu sót Vì vậy, nhóm kính mong nhận được những ý kiến đóng góp và sửa chữa từquý thầy cô để đồ án được hoàn thiện hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Trang 11

2.2 Sơ đồ quy trình công nghệ chưng cất Benzene – Toluene 11

3.2.4 Nhiệt lượng ngưng tụ do hơi sản phẩm đỉnh ngưng tụ thành lỏng 22 3.2.5 Nhiệt lượng cần cung cấp cho nồi đun ở đáy tháp 23

Trang 12

3.2.6 Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh 23

4.1.1.2 Vận tốc hơi trung bình đi trong đoạn cất 26

4.1.2.1 Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng 28

Trang 13

5.5 Tính lớp cách nhiệt 53

6.1.4.1 Suất lượng nước cần dùng để làm nguội sản phẩm đáy 74

Trang 14

CHƯƠNG 7: TÍNH KHỐI LƯỢNG VẬT TƯ VÀ CHI PHÍ 96

Trang 16

CHƯƠNG 1: DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Thành phần cân bằng lỏng - hơi của hệ benzene - toluene 5Bảng 1.2 So sánh ưu nhược điểm của các loại thiết bị chưng cất 8Bảng 2.1 Chú thích các ký hiệu trong quy trình 11

Trang 17

LỜI MỞ ĐẦU

Một trong những ngành có sự đóng góp to lớn đến ngành công nghiệp nước ta nóiriêng và thế giới nói chung, đó là ngành Công nghệ Hóa học và đặc biệt là ngành hóachất cơ bản

Hiện nay, trong nhiều ngành sản xuất hóa chất cũng như sử dụng sản phẩm hóa học,đòi hỏi nhu cầu sử dụng nguyên liệu hoặc sản phẩm có độ tinh khiết ngày càng caonhằm nâng cao hiệu quả của quy trình sản xuất hoặc đáp ứng nhu cầu sử dụng ngàycàng cao Vì thế, các phương pháp nâng cao độ tinh khiết luôn luôn được cải tiến, đổimới để ngày càng hoàn thiện hơn như: trích ly, chưng cất, cô đặc, hấp thu,… Tùy theođặc tính yêu cầu mà ta lựa chọn phương pháp thích hợp nhất Đối với hệ benzene –toluene là hai cấu tử hòa tan lẫn hoàn toàn, ta phải dùng phương pháp chưng cất đểtách các cấu tử trong hỗn hợp và thu được benzene có độ tinh khiết cao

Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị là một môn học mang tính tổng hợp trong quátrình học tập của các Kỹ sư Hóa học trong tương lai Môn học giúp sinh viên giảiquyết nhiệm vụ tính toán cụ thể về: quy trình 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 học vào việc giải quyếtnhững vấn đề kỹ thuật thực tế một cách tổng quát

Nhiệm vụ của Đồ án môn học là thiết kế tháp mâm chóp hoạt động liên tục để chưngcất hỗn hợp benzene – toluene ở áp suất thường Với năng suất nhập liệu là 2500 kg/h,nhập liệu có nồng độ benzene là 30% (% khối lượng), nồng độ sản phẩm đỉnh là 98%

và nồng độ sản phẩm đáy là 2% (% khối lượng) ở nhiệt độ thường

Trang 18

Benzene có mùi thơm dễ chịu nhưng mùi này có hại cho sức khoẻ (gây bệnh bạchcầu) Ngoài ra, khi hít benzene vào, có thể gây vô sinh, bệnh ung thư máu và khibenzene rơi vào da sẽ gây bỏng rát.

Công thức phân tử: C6H6

Công thức cấu tạo:

Hình 1.1 Benzene 1.1.1.1 Tính chất vật lý

Khối lượng mol: 78,112 g/mol

Khối lượng riêng: 0,8786 g/cm3

Trang 19

CH3(CH2)4CH3 → C6H6 + 4H2 (xúc tác, nhiệt độ)

2CH4 → C2H2 + 3H2 (1500°C, làm lạnh nhanh)

3C2H2 → C6H6 (600°C, xúc tác Carbon hoạt tính)

1.1.1.3 Ứng dụng

Benzene là nguyên liệu quan trọng nhất của công nghiệp hóa hữu cơ

Benzene được dùng nhiều chất để tổng hợp các monomer trong sản xuất polymer làmchất dẻo, cao su, tơ sợi (chẳng hạn poly styrene, cao su buna – styrene, tơ capron) Benzene được sử dụng làm dung môi trong công nghiệp và trong phòng thí nghiệm

1.1.2 Toluene

Toluene là một chất lỏng trong suốt, mùi thơm nhẹ và không vị, có khả năng bay hơilớn và dễ cháy, dễ bắt lửa Toluene không tan trong cồn, ether, acetone và các dungmôi hữu cơ khác, tan ít trong nước

Toluene là một hydrocarbon thơm được sử dụng làm dung môi rộng rãi trong côngnghiệp

Công thức phân tử: C7H8

Công thức cấu tạo:

Hình 1.2 Toluene 1.1.2.1 Tính chất vật lý

Khối lượng phân tử: 92,14 g/mol

Tỷ trọng pha: 0,8669 g/cm³

Độ hòa tan trong nước: 0,053 g/100 mL (20 - 25°C)

Nhiệt độ nóng chảy: -93°C (180 K)/ (-135,4°F)

Trang 20

Hiện nay, người ta dùng phương pháp chưng cất dầu mỏ hoặc than đá để tạo ra dungmôi toluene trong sản xuất công nghiệp, vừa tận dụng được nguồn tài nguyên thiênnhiên, vừa sản xuất với số lượng lớn giảm thiểu chi phí sản xuất.

Toluene được dùng để sản xuất nhựa tổng hợp, sản xuất keo dán và các sản phẩm cùngloại, dùng trong keo dán cao su, xi măng cao su, …

Toluene được dùng làm chất cải thiện một vài chỉ số của xăng dầu và làm chất mangphụ gia cho nhiên liệu

Toluene cũng được ứng dụng vào sản xuất mỹ phẩm đặc biệt là nước hoa

Ngoài ra, toluene còn được ứng dụng như chất tẩy rửa, dùng để sản xuất thuốc nhuộm.Trong ngành hóa sinh, người ta dùng toluene để tách hemoglobin từ tế bào hồng cầu.Toluene còn nổi tiếng vì có thể điều chế thuốc nổ TNT:

Trang 22

80 85 90 95 100 105 110 115 0

Hình 1.4 Đồ thị cân bằng lỏng – hơi hai cấu tử benzene – toluene (x – y – t)

1.2.1 Phương pháp chưng cất

1.2.1.1 Khái niệm

Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng (hoặc khí lỏng)thành các cấu tử riêng biệt dựa vào sự khác nhau về độ bay hơi của chúng bằng cáchlặp đi lặp lại nhiều lần quá trình bay hơi – ngưng tụ Trong đó vật chất đi từ pha lỏngvào pha hơi hoặc ngược lại

Khác với cô đặc, chưng cất là quá trình trong đó cả dung môi và chất tan đều bay hơi,còn quá trình cô đặc thì chỉ có dung môi bay hơi

Khi chưng cất, ta thu được nhiều cấu tử và thường có bao nhiêu cấu tử sẽ thu được bấynhiêu sản phẩm Nếu xét hệ đơn giản chỉ có hai hệ cấu tử thì ta thu được hai sản phẩm:Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt độ sôi nhỏ) và một phầnrất ít cấu tử có độ bay hơi bé

Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi bé (nhiệt độ sôi lớn) và một phần rất

ít cấu tử có độ bay hơi lớn

Trang 23

Đối với hệ benzene – toluene, sản phẩm đỉnh chủ yếu là benzene và một ít toluene,ngược lại sản phẩm đáy chủ yếu là toluene và một ít benzene.

1.2.1.2 Phân loại

a/ Phân loại theo áp suất làm việc: gồm chưng cất ở áp suất thấp, áp suất thường và ápsuất cao Nguyên tắc của phương pháp này là dựa vào nhiệt độ sôi của các cấu tử, nếunhiệt độ sôi của các cấu tử quá cao thì ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôicủa các cấu tử

Chưng cất ở áp suất thấp: dùng cho các hỗn hợp dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao nhưtinh dầu, các vitamin, … hoặc có nhiệt độ sôi quá cao: cặn mazut của dầu mỏ, …Chưng cất ở áp suất thường: thường được sử dụng vì đơn giản, như chưng cất rượu,axit, dầu mỏ, …

Chưng cất ở áp suất cao: được tiến hành khi hỗn hợp không hóa lỏng ở nhiệt độthường, như sản xuất O2 và N2 từ không khí, …

b/ Phân loại theo nguyên lý làm việc: liên tục, gián đoạn (chưng đơn giản) và liên tục:Chưng cất đơn giản (gián đoạn): phương pháp này được sử dụng trong các trường hợpsau: khi nhiệt độ sôi của các cấu tử khác xa nhau, không đòi hỏi sản phẩm có độ tinhkhiết cao, tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi, tách sơ bộ hỗn hợp nhiềucấu tử

Chưng cất hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục): là quá trình được thựchiện liên tục, nghịch dòng, nhiều đoạn

c/ Phân loại theo phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp:

Sử dụng hơi nước để cấp nhiệt trực tiếp cho đáy tháp: khi chưng cất hỗn hợp nhập liệuthu được nước ở đáy tháp chưng cất, cấu tử còn lại dễ bay hơi thì ta có thể sử dụng hơinước để cấp nhiệt trực tiếp cho đáy tháp

Sử dụng nồi đun để cấp nhiệt cho tháp chưng cất: nồi đun cho tháp chưng cất là thiết

bị trao đổi nhiệt được đặt ở đáy tháp để cung cấp nhiệt cho hệ thống

Trang 24

Vậy: đối với hệ benzene – toluene, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục ở áp suấtthường.

1.2.2 Thiết bị chưng cất

Trong sản xuất thường sử dụng rất nhiều loại tháp nhưng chúng đều có một yêu cầu cơbản chung là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều này phụ thuộc vào độ phântán của một lưu chất này vào lưu chất kia

Tháp chưng cất rất phong phú về kích cỡ và ứng dụng Kích thước của tháp: đườngkính tháp và chiều cao tháp tuỳ thuộc suất lượng pha lỏng, pha khí của tháp và độ tinhkhiết của sản phẩm Ở đây ta khảo sát 2 loại tháp chưng cất thường dùng là tháp mâm

và tháp chêm:

Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có cấu tạo khácnhau để chia thân tháp thành những đoạn bằng nhau, trên mâm pha lỏng và pha hơiđược cho tiếp xúc với nhau Tùy theo cấu tạo của đĩa, ta có:

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

Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm bố trí các lỗ có đường kính (3 - 12) mm

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

Bảng 1.2 So sánh ưu nhược điểm của các loại thiết bị chưng cất

Tháp chêm Tháp mâm xuyên lỗ Tháp mâm chóp

Ưu điểm Cấu tạo đơn giản

Trở lực thấp

Làm việc được vớichất lỏng bẩn (dùngđệm cầu có ρ ≈ ρchất lỏng)

Hiệu suất tương đốicao

Dễ dàng theo dõi vàkiểm soát quá trình

Trang 25

chưng cất.

Nhược điểm

Hiệu suất truyền khốithấp do có hiệu ứngthành

Độ ổn định kém do sựphân bố các pha theotiết diện tháp khôngđều

Cấu tạo phức tạp, tiêutốn nhiều vật tư.Trở lực lớn

Không làm việc vớichất lỏng bẩn

Yêu cầu lắp đặt khắtkhe → Lắp đĩa thậtphẳng

Như vậy, qua các thông tin thu nhận được ở phần tổng quan, ta nên sử dụng tháp mâmchóp để chưng cất hỗn hợp benzene và toluene vì tháp mâm chóp mang lại hiệu suấttruyền khối cao, hoạt động ổn định và dễ dàng theo dõi, kiểm soát quá trình chưng cất

Trang 26

CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

Toluene là một chất lỏng mạch vòng, không phân cực nên tan tốt trong benzene,toluene có nhiệt độ sôi là 111oC ở 760mmHg, nhiệt độ sôi của benzene là 80oC ở760mmHg Vì có sự chênh lệch nhiệt độ sôi nên chọn phương pháp chưng cất liên tục

để thu benzene có độ tinh khiết cao là hiệu quả nhất

Quá trình chưng cất được thực hiện dựa vào nhiều loại tháp có cấu tạo khác nhau, tùyvào mục đích, hiệu quả chưng cất và điều kiện không gian, kinh tế mà ta lựa chọn loạitháp cho phù hợp

Mỗi loại tháp chưng cất có cấu tạo riêng, có ưu nhược điểm khác nhau, vì vậy phảichọn loại tháp cho phù hợp với hỗn hợp cấu tử cần chưng cất và tính toán kích cỡ củathiết bị phù hợp với yêu cầu

Qua quá trình tìm hiểu, tôi chọn tháp mâm chóp cho đồ án thiết kế hệ thống chưng cấthoạt động liên tục ở áp suất thường để phân tách hỗn hợp hai cấu tử benzene – toluene

Vì tháp mâm chóp có những ưu điểm khắc phục được nhiều nhược điểm của các loạitháp khác như:

Hiệu suất truyền khối cao

Hoạt động ổn định, ít tiêu hao năng lượng

Dễ dàng theo dõi và kiểm soát quá trình chưng cất

Trang 27

2.2 Sơ đồ quy trình công nghệ chưng cất Benzene – Toluene

Hình 2.1 Sơ đồ quy trình công nghệ chưng cất hỗn hợp benzene – toluene

Bảng 2.1 Chú thích các ký hiệu trong quy trình

1 Bồn chứa nguyên liệu 10 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh

2 Bơm nhập liệu 11 Bồn chứa sản phẩm đỉnh

4 Thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu 13 Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy

7 Hệ thống tháo nước ngưng 16 Nhiệt kế điện tử

Trang 28

9 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh

Hỗn hợp benzene – toluene có nồng độ benzene 30% (theo % khối lượng), nhiệt độkhoảng 30oC tại bồn chứa nguyên liệu (1), được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3) Sau

đó, hỗn hợp được đưa qua thiết bị làm nguội sản phẩm đáy (13) để trao đổi nhiệt vớisản phẩm đáy, tiếp đến là thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu (4) đến nhiệt độ sôi trongthiết bị truyền nhiệt ống lồng ống, rồi được đưa vào tháp chưng cất (8) ở đĩa nhập liệu,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 cất của tháp chảy xuống Trong tháp, hơi đi

từ dưới lên gặp chất lỏng từ trên xuống Ở đây, có sự tiếp xúc và trao đổi giữa hai phavới nhau Pha lỏng chuyển động trong phần chưng càng xuống dưới nồng độ các cấu

tử dễ bay hơi càng giảm vì đã bị pha hơi tạo nên từ thiết bị đun sôi (12) lôi cuốn cấu tử

dễ bay hơi Nhiệt độ càng lên trên càng thấp, nên khi hơi đi qua các đĩa từ dưới lên thìcấu tử có nhiệt độ sôi cao là toluene sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thuđược hỗn hợp có cấu tử benzene chiếm nhiều nhất (98% khối lượng) Hơi này đi vàothiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh (9) và được ngưng tụ hoàn toàn Bộ phận chỉnh dòng(15) chia chất lỏng thành hai phần: một phần chất lỏng ngưng tụ đi qua thiết bị làmnguội sản phẩm đỉnh (10), được làm nguội đến 40 , rồi được đưa qua bồn chứa sản℃, rồi được đưa qua bồn chứa sảnphẩm đỉnh (11) Phần còn lại của chất lỏng ngưng tụ được hoàn lưu về tháp chưng cất(8) ở đĩa trên cùng với tỷ số hoàn lưu tối ưu và được kiểm soát bằng lưu lượng kế Mộtphần cấu tử benzene có nhiệt độ sôi thấp được bốc hơi, còn lại cấu tử toluene có nhiệt

độ sôi cao trong chất lỏng ngày càng tăng Cuối cùng, ở đáy tháp ta thu được hỗn hợplỏng hầu hết là các cấu tử khó bay hơi (toluene) Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độbenzene là 2% khối lượng, còn lại là toluene Dung dịch sản phẩm đáy đi ra khỏi thápmột phần vào thiết bị đun sôi (12) Trong nồi đun dung dịch lỏng một phần sẽ bốc hơicung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại ra khỏi nồi đun được trao đổinhiệt với dòng nhập liệu trong thiết bị làm nguội sản phẩm đáy (13), được làm nguộirồi đưa qua bồn chứa sản phẩm đáy (14) Sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt với nhậpliệu được đưa về khu xử lý nước thải

Trang 29

CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG

Năng suất nhập liệu: GF = 2500 kg/h

Nồng độ nhập liệu: 30% benzene theo khối lượng => x F = 0,3

Nồng độ sản phẩm đỉnh: 98% benzene theo khối lượng => x D = 0,98

Nồng độ sản phẩm đáy: 2% benzene theo khối lượng => x W = 0,02

Nhiệt độ nhập liệu: nhập liệu ở trạng thái lỏng sôi

Chọn:

Nhiệt độ nhập liệu: tF: 25oC

Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi làm nguội: tW = 35oC

Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội: tD = 35oC

Nhiệt độ dòng nước lạnh đi vào: tV = 30oC

Nhiệt độ dòng nước lạnh đi ra: tR = 40oC

Kí hiệu:

GF: Suất lượng dòng nhập liệu (kg/h)

F: Suất lượng nhập liệu (kmol/h)

GD: Suất lượng dòng sản phẩm đỉnh (kg/h)

Trang 30

D: Suất lượng sản phẩm đỉnh (kmol/h)

GW: Suất lượng dòng sản phẩm đáy (kg/h)

W: Suất lượng sản phẩm đáy (kmol/h)

xF: Phân mol benzene trong dòng nhập liệu

xD: Phân mol benzene trong sản phẩm đỉnh

xW: Phân mol benzene trong sản phẩm đáy

x F: Phân khối lượng benzene trong dòng nhập liệu

x D: Phân khối lượng benzene trong sản phẩm đỉnh

x W: Phân khối lượng benzene trong sản phẩm đáy

1−0,392,14

1−0,9892,14

1−0,0292,14

= 0,0235

Tính phân tử lượng trung bình:

Trang 31

Phân tử lượng trung bình của nhập liệu:

MF = xF MB + (1 - xF) MT = 0,3358 78,11 + (1 – 0,3358) 92,14 = 87,429 kg/kmolPhân tử lượng trung bình của sản phẩm đỉnh:

MD = xD MB + (1 – xD) MT = 0,9830 78,11 + (1 – 0,9830) 92,14 = 78,349 kg/kmolPhân tử lượng trung bình của sản phẩm đáy:

MW = xW MB + (1 – xW) MT = 0,0235 78,11 + (1 – 0,0235) 92,14 = 91,810kg/kmol

Tính suất lượng

Suất lượng nhập liệu:

F = G M F

F = 87,4292500 = 28,595Suất lượng dòng sản phẩm đỉnh:

GD = GF x x F−x W

D−x W= 2500 0,98−0,020,3−0,02 = 729,167Suất lượng sản phẩm đỉnh:

D = G M D

D = 729,16778,349 = 9,3067Suất lượng dòng sản phẩm đáy:

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

Suy ra: GW = GF - GD = 2500 - 729,167 = 1770,83

Suất lượng sản phẩm đáy:

W = G M W

W = 1770,8391,810 = 19,288

Trang 32

3.1.3.1 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 vôcực Do đó, chi phí cố định là vô cực nhưng chi phí điều hành (nhiên liệu, nước vàbơm…) là tối thiểu

Rmin = x D−y F¿

y¿F

−x F = 0,9830−0,54960,5496−0,3358 = 2,026Vậy tỉ số hoàn lưu tối thiểu là Rmin = 2,026

3.1.3.2 Tỷ số hoàn lưu tối ưu

Tỷ số hoàn lưu càng lớn thì lượng nhiệt được tiêu thụ ở đáy tháp càng nhiều, vì phảilàm bay hơi lượng hoàn lưu này Mặt khác số đĩa lý thuyết của tháp giảm cùng với sựtăng của chỉ số hoàn lưu Nếu giảm tỷ số hoàn lưu thì sẽ làm tăng chi phí chế tạo thápmặc dù có giảm chi phí làm việc Vì vậy, cần xác định giá trị thích hợp của tỷ số hoànlưu

Thông thường, tỷ số hoàn lưu tối ưu bằng 1,2 – 1,5Rmin

Để tính gần đúng ta lấy tỷ số hoàn lưu thích hợp theo công thức:

R = 1,3Rmin + 0,3 (Công thức IX.25b trang 159) [1]

R = 1,3 Rmin + 0,3 = 1,3 2,0262 + 0,3 = 2,9341

Dòng

Thông

số

Trang 33

3.1.4 Phương trình làm việc và xác định số mâm

3.1.4.1 Phương trình làm việc phần cất

y = R

R +1 x+

x D R+1 (IX.20 trang 144) [2]

¿ 2,93382,9338+1x+

0,98302,9338+1=0,7458 x +0,2499

Trang 34

Từ đồ thị, ta xác định được số mâm lý thuyết là 15 mâm.

Trong đó bao gồm 8 mâm chưng, 7 mâm cất, mâm nhập liệu là mâm số 8

Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình: Ntt = N¿

Xác định hiệu suất trung bình của tháp ❑tb:

Độ bay tương đối của cấu tử dễ bay hơi: α = y

¿

1− y¿ 1−x xVới x: Phân mol của Benzene trong pha lỏng

y*: Phân mol của Benzene trong pha hơi cân bằng với pha lỏng

Tra bảng I.101 trang 91 [1]: Tại nhiệt độ t’F = 97,38oC:

Độ nhớt của Benzene: µ)B = 0,2682 (cP)

Độ nhớt của Toluene: µ)T = 0,2773 (cP)

Độ nhớt của hỗn hợp nhập liệu (Công thức I.12 trang 84) [1]:

log log μ F = x F log log μ B+(1−x F) log log μ T

Trang 35

= 0,3358 log log(0,2682) + (1 – 0,3358) log log(0,2773) = - 0,5619

→ µF = 0,2742 (cP)

Suy ra: αF µ)F = 2,3033 0,2742 = 0,6316

Tra đồ thị IX.11 trang 171[2] → ŋF = 56%

Tại vị trí mâm đáy:

Tra bảng I.101 trang 91[1]: Tại nhiệt độ t’W = 109,52oC:

Độ nhớt của benzene: µ)B = 0,241 (cP)

Độ nhớt của toluene: µ)T = 0,252 (cP)

log log μ W = x W log log μ B+(1−x W) log log μ T

= 0,0235 log log(0,241) + (1 – 0,0235) log log(0,252) = - 0,6176

Trang 36

Tra bảng I.101 trang 91[1]: Tại nhiệt độ t’D = 80,56oC:

Độ nhớt của benzene: µ)B = 0,2682 (cP)

Độ nhớt của toluene: µ)T = 0,2773 (cP)

log log μ D = x D log log μ B+(1−x D) log log μ T

= 0,3358 (0,2682) + (1 – 0,3358) (0,2773) = - 0,5619

→ µF = 0,2742 (cP)

Suy ra: αD µ)D = 2,145 0,3176 = 0,5174

Tra đồ thị IX.11 trang 171[2] → ŋD = 59%

Suy ra hiệu suất trung bình của tháp:

ŋtb = ŋ F+ŋ W+ŋ D

3 = 56+54,5+593 = 56,5%

Số mâm thực tế tháp chưng cất: Ntt = N¿

❑tb = 56,5 %15 = 27 mâmTrong đó:

Nchưng tt = N chưng<¿

ŋ tb ¿ = 56,5 %8 = 14,15 mâm, chọn 14 mâm

Ncất tt = N cất <¿

ŋ tb ¿ = 56,5 %7 = 12,39 mâm, chọn 13 mâmVậy số mâm thực tế là 27 mâm Trong đó có 14 mâm chưng, 13 mâm cất và nhập liệu

ở mâm số 14

Cân bằng nhiệt lượng của toàn tháp chưng cất:

Phương trình cân bằng nhiệt: QF + Qnđ = QD + QW + Qnt + QT

Trong đó:

Trang 37

QF: Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào tháp.

Qnd: Nhiệt lượng cần cung cấp cho nồi đun ở đáy tháp

QD: Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp

QW: Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra

Qnt: Nhiệt lượng ngưng tụ do hơi sản phẩm đỉnh ngưng tụ thành lỏng

QT: Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh

3.2.1 Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào tháp

Nhiệt dung riêng của benzene: cB = 1936,258 kJ/(kg )℃, rồi được đưa qua bồn chứa sản

Nhiệt dung riêng của toluene: cT = 1904,768 kJ/(kg )℃, rồi được đưa qua bồn chứa sản

Trang 38

Tại xD = 0,9830 → t’D = 80,56 ℃, rồi được đưa qua bồn chứa sản

Ta có nhiệt độ trung bình:

ttb = t D+t D '

2 = 35+80,562 = 57,78℃, rồi được đưa qua bồn chứa sảnTại ttb = 57,78 tra bảng I.153 và I.154 trang 172 [1], ta có:℃, rồi được đưa qua bồn chứa sản

Tại xW = 0,0235 → t’W = 109,52℃, rồi được đưa qua bồn chứa sản

Ta có nhiệt độ trung bình:

ttb = t W+t W '

2 = 35+109,522 = 72,26℃, rồi được đưa qua bồn chứa sảnTại ttb = 72,26 tra bảng I.153 và I.154 trang 172 [1], ta có:℃, rồi được đưa qua bồn chứa sản

Ta có: cW = xW cB + (1 – xW) cT

= 0,0235 1994,362 + (1 - 0,0235) 1949,038 = 1950,103 kJ/(kg )℃, rồi được đưa qua bồn chứa sản

Trang 39

Do đó: QW = 1770,833 1950,103 (109,52−35) 10-3 = 257335,72 kJ/h

= 257335,723600 = 71,4821 kW

3.2.4 Nhiệt lượng ngưng tụ do hơi sản phẩm đỉnh ngưng tụ thành lỏng

Chọn hơi sản phẩm ngưng tụ hoàn toàn thành lỏng

Qnt = (R +1) GD rD (W)Tại t’D = 80,56oC tra bảng I.212 trang 254 [1], ta có:

Nhiệt hóa hơi của benzene: rB = 93,902 kcal/kg = 393,149 kJ/kg

Nhiệt hóa hơi của toluene: rT = 90,333 kcal/kg = 378,205 kJ/kg

Suy ra: rD = xD rB + (1 - xD) rT

= 0,9830 393,149 + (1 – 0,9830) 378,205 = 392,895 kJ/kg

Do đó: Qnt = 729,167 392,895 (2,9338+1) = 1127068,2 kJ/h

= 1127068,23600 = 313,075 kW

3.2.5 Nhiệt lượng cần cung cấp cho nồi đun ở đáy tháp

Phương trình cân bằng nhiệt lượng:

QF + Qnđ = QD + QW + Qnt + QTTrong đó, QT là nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh Chọn QT bằng khoảng5% nhiệt lượng cần cung cấp cho nồi đun ở đáy tháp

Suy ra:

Qnđ = QD + QW + Qnt + 5%Qnđ - QF

⬄ (1 – 0,05) Qnđ = 17,6967 + 71,4821 + 313,076 - 96,2765

⇨ Qnđ = 305,9780,95 = 322,084 kW

Trang 40

3.2.6 Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh

QT = 5% Qnđ = 5% 322,084 = 16,104 W

Tiêu đề	Thiết Kế Tháp Mâm Chóp Chưng Cất Hỗn Hợp Benzene – Toluene Có Năng Suất Nhập Liệu 2500 Kg/H
Tác giả	Huỳnh Thị Bích Hồng, Trương Mỹ Quỳnh
Người hướng dẫn	TS. Hồ Phương
Trường học	Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Công Nghệ Hóa Học
Thể loại	đồ án
Năm xuất bản	2021
Thành phố	Tp. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	119
Dung lượng	2,17 MB
File đính kèm	HUỲNH THỊ BÍCH HỒNG - TRƯƠNG MỸ QUỲNH.rar (6 MB)