ĐỀ tài tính toán và thiết kế hệ thống thiết bị chưng luyện liên tục để phân riêng hỗn hợp lỏng chứa hai cấu tử bằng tháp đĩa làm việc ở áp suất khí quyển

KHOA HÓA ------ BÁO CÁO ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ HÓA HỌC TÊN ĐỀ TÀI: Tính toán và thiết kế hệ thống thiết bị chưng luyện liên tục để phân riêng hỗn hợp lỏng chứa hai cấu

KHOA HÓA

- -

BÁO CÁO ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ

HÓA HỌC TÊN ĐỀ TÀI:

Tính toán và thiết kế hệ thống thiết bị chưng luyện liên tục để phân riêng hỗn hợp lỏng chứa hai cấu tử

bằng tháp đĩa làm việc ở áp suất khí quyển

II Số liệu ban đầu:

• Tổng quan về quá trình chưng cất, biện luận lựa chọn loại tháp chưng cất

• Giới thiệu dây chuyền công nghệ

• Trình bày về nhiệm vụ của đồ án

Chương II: Tính công nghệ thiết bị chính

• Tính cân bằng nhiệt lượng

• Tính Kích thước thiết bị: Đường kính và chiều cao của thiết bị chính Chương III: Kết luận

Danh mục bảng biểu

Danh mục hình vẽ

Phụ lục

IV Các bản vẽ và phụ lục:

1 bản vẽ dây chuyền công nghệ khổ A3 theo đúng quy chuẩn kỹ thuật

V Thời gian thực hiện:

• Ngày bắt đầu giao đồ án : 27/08/2022

• Ngày nộp đồ án : 03/12,/2022

• Ngày bảo vệ : 10/12/2022

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay với sự phát triển không ngừng nghỉ của khoa học kỹ thuật, máy móc công nghệ không ngừng được nâng cao tạo ra các sản phẩm thỏa mãn các nhu cầu khắt khe nhất của thị trường Nghành công nghiệp hóa chất cũng không nằm ngoài xu thế đó, càng ngày sản phẩm của ngành công nghiệp này càng đòi hỏi sự tinh khiết, chất lượng hoàn hảo phù hợp với nhu cầu sản xuất sử dụng của con người

Để tạo ra loai sản phẩm hóa chất có tính tinh khiết cao, đảm bảo tăng nồng độ chất tan trong dung dịch, phù hợp yêu cầu người ta có rất nhiều cách để tạo ra chúng, một trong

những cách đó là sử dụng phương pháp chưng luyện, tạo ra tăng nồng độ sản phẩm

mong muốn Chưng là phương pháp dùng để tách các hỗn hợp chất lỏng (cũng như các hỗn hợp khí đã hóa lỏng) thành những cấu tử riêng biệt, dựa trên độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp Chúng ta có thể thực hiện nhiều phương pháp chưng khác nhau như chưng gián đoạn, chưng liên tục, chưng đơn giản, và chưng đặc biệt (chưng luyện hỗn hợp đẳng phí, chưng phân tử, chưng bằng hơi nước trực tiếp, chưng trích ly) Ngày nay, chưng luyện được ứng dụng rộng rãi để tách các hỗn hợp:

+ Dầu mỏ, các tài nguyên được khai thác ở dạng lỏng

+ Không khí hóa lỏng

+ Quá trình tổng hợp hữu cơ thường cho sản phẩm ở dạng hỗn hợp chất lỏng

Khi chưng, hỗn hợp đầu chứa bao nhiêu cấu tử thì ta thu được bấy nhiêu cấu tử sản phẩm Để có thể thu được sản phẩm đỉnh tinh khiết ta tiến hành chưng nhiều lần hay còn gọi là chưng luyện

Là một kỹ sư hóa chất trong tương lai, chúng em đã được trang bị rất nhiều những kiến thức cơ bản về các quá trình thiết bị của công nghệ sản xuất những sản phẩm hóa học,

để củng cố những kiến thức đã học, cũng như để phát huy trình độ độc lập sáng tạo giải quyết một vấn đề cụ thể của sinh viên trong thực tế sản xuất, chinh vì vậy khi được nhận

bản đồ án quá trình thiết bị này là một cơ hội tốt để cho chúng em được tìm hiểu về

các quá trình công nghệ, được vận dụng những kiến thức đã được học và mở rộng vốn kiến thức của mình, từ đó cho chúng em cái nhìn cụ thể hơn về ngành nghề mình đã lựa chọn

Bản đồ án này không chỉ làm sáng tỏ thêm lý thuyết, nắm vững phương pháp tính toán

và nguyên lý vận hành thiết bị, mà đây chính là một cơ hội tốt để sinh viên tập dượt giải

quyết những vấn đề cụ thể trong thực tế sản xuất

Để hoàn thành được bản đồ án này em xin gửi lời cám ơn chân thành nhất đến các thầy

cô khoa Hóa, đặc biệt là thầy giáo TS.Nguyễn Thanh Bình đã tận tình hướng dẫn, chỉ

bảo, tạo điều kiện thuận lợi cho chúng em làm đồ án

Do thời gian và kiến thức bản thân em còn hạn chế nên bản đồ án không tránh khỏi

những thiếu sót em rất mong nhận được sự góp ý, những lời nhận xét và sửa chữa của

thầy cô để bản đồ án của em được hoàn chỉnh hơn

Một lần nữa em xin chân thành cám ơn

NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN

Đà Nẵng ngày tháng năm 2023

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ THIẾT KẾ ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ 2

LỜI MỞ ĐẦU 4

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 10

1.1 Tổng quan về sản phẩm Acetone và Benzen: 10

1.1.1 Acetone (CH3COCH3 ) 10

1.1.2 Benzene: 11

1.2 Tổng quan về quá trình chưng cất, thiết bị chưng cất, dây chuyền công nghệ: .12

1.2.1 Tổng quan về quá trình chưng cất: 12

1.2.1.2 Các phương pháp chưng trong sản xuất: 12

1.2.1.3 Giới thiệu về phương pháp chưng luyện: 12

1.2.2 Thiết bị chưng cất: 13

1.3 Giới thiệu dây chuyền công nghệ: 14

CHƯƠNG 2: TÍNH CÔNG NGHỆ THIẾT BỊ CHÍNH 17

A CÂN BẰNG VẬT LIỆU VÀ NHIỆT LƯỢNG 17

2.1 Thông số ban đầu: 17

2.2 Tính toán thiết kế: 18

2.2.1 Cân bằng vật liệu: 18

2.2.1.1 Đổi số liệu: 18

2.2.1.2 Tính cân bằng vật liệu: 19

2.2.1.3 Thành phần pha của hỗn hợp hai cấu tử Acetone – Benzene: 20

2.2.1.4 Đồ thị cân bằng pha: 21

2.2.2 Xác định số đĩa lý thuyết: 22

2.2.2.1 Phương trình đường nồng độ làm việc: 22

2.2.2.2 Chỉ số hồi lưu thích hợp : 22

2.2.2.3 Xác định số đĩa thực tế: 24

2.2.3 TÍNH ĐƯỜNG KÍNH THÁP 26

2.2.3.1 Lưu lượng hơi trung bình các dòng pha đi trong tháp 26

a.Xác định lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện: 27

b Xác định lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng: 29

2.2.3.2 Khối lượng riêng trung bình 30

2.2.3.3 Hệ số sức căng bề mặt φ[σ] 32

2.2.3.4 Đường kính tháp đệm 32

2.2.4 CHIỀU CAO CỦA THÁP CHƯNG LUYỆN 33

2.2.5 CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG CỦA THAP CHƯNG LUYỆN 33

2.2.5.1 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu 34

2.2.5.2 Cân bằng nhiệt lượng cho toàn tháp chưng luyện 35

2.2.5.3 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ 37

2.2.5.4 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm lạnh 38

KẾT LUẬN 39

TÀI LIỆU THAM KHẢO 40

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1 Một số thông sô vật lý và nhiệt động của Acetone 10

Bảng 2 Ưu điểm và Nhược điểm của 2 tháp 14

Bảng 3 Chú thích: 15

Bảng 4 Cân bằng vật liệu của tháp chưng cất 20

Bảng 5 Thành phần cân bằng lỏng (x) - hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp hai cấu tử ở 760 mmHg (% mol) 20

Bảng 6 Kết quả nội suy 21

Bảng 7: Chỉ số hồi lưu thích hợp 23

Bảng 8 Độ nhớt của Axetone và Benzen 25

Bảng 9 Ẩn nhiệt hóa hơi của cấu tử A,B nguyên chất theo nhiệt độ 28

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.Công thức cấu tạo của Acetone 10

Hình 2:Công thức Benzen 11

Hình 3 Tháp đệm 13

Hình 4 Thiết bị tháp đĩa chóp 13

Hình 5 Sơ đồ dây chuyền công nghê chưng luyện liên tục 14

Hình 6 Đường cân bằng x-y 21

Hình 7 Đường cân bằng t-x-y 22

Hình 8: Đồ thị y-x xác định đĩa lý thuyết 23

Hình 9 Chỉ số hồi lưu thích hợp 24

Hình 10 Để xác định lượng hơi trung bình đi trong tháp chưng luyện 27

Hình 11 Sơ đồ tính cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện 34

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về sản phẩm Acetone và Benzen:

1.1.1 Acetone (CH 3 COCH 3 )

Acetone có công thức phân tử: CH3COCH3 , có nhóm -CO- liên kết trực tiếp với hai nguyên tử Cacbon, Vì vậy, hợp chất này có những tính chất đặc trưng của nhóm chức này, Khối lượng phân tử bằng 58,079 đvc

Là một chất lỏng không màu, dễ lưu động và dễ cháy, với một cách êm dịu và có mùi thơm

Nó hòa tan vô hạn trong nước và một số hợp chất hữu cơ như: eter, metanol, etanol, diacetone alcohol…

Bảng 1 Một số thông sô vật lý và nhiệt động của Acetone

Về mặt hóa học tương tự như andehit, axeton tham gia phản ứng cộng hidro (H2)

và natrihidro-sunphit (NaHSO3) nhưng khác ở chỗ không bị oxy hóa bởi dung dịch AgNO3 (không tráng gương) và Cu(OH)2, nhưng có thể bị oxy và cắt sát nhóm “-CO”

để chuyển thành hai axit khi tác dụng với chất OXH mạnh

Ứng dụng:

Hình 1.Công thức cấu tạo của Acetone

Acetone được ứng dụng nhiều làm dung môi cho công nghiệp, ví dụ cho vecni, sơn, sơn mài, cellulose acetate, nhựa, cao su … Nó hồ tan tốt tơ acetate, nitroxenluloz, nhựa phenol focmandehyt, chất béo, dung môi pha sơn, mực in ống đồng

1.1.2 Benzene:

Benzene(C6H6) có PTK=78 là hợp chất vòng thơm, đó là một chất lỏng không màu, có mùi thơm đặc trưng, nhẹ hơn nước, tan nhiều trong các dung môi hữu cơ đồng thời là một dung môi tốt cho nhiều chất như Iốt, lưu huỳnh (S), chất béo…, t0

s=80,10C

ở 1 at, đông đặc ở t0đ =5,50C, tỷ khối d204=0,879, có khối lượng riêng 0,8786 g/cm3 chất lỏng, nóng chảy ở 5,5 độ C

Hình 2:Công thức Benzen

Về mặt hóa học, Benzen là một hợp chất vòng bền vững, tương đối dễ tham gia phản ứng thế, khó tham gia các phản ứng cộng, oxh…Đặc tính hóa học này gọi là tính thơm

Về ứng dụng : dùng điều chế nitro benzen, anilin, tổng hợp phẩm nhuộm, dược phẩm , Clobenzen là dung môi tổng hợp DDT, hexacloaran (thuốc trừ sâu) Stiren (monome để tổng hợp chất dẻo) và nhiều sản phẩm quan trọng khác Benzen còn được dùng làm dung môi

Nguồn cung cấp Benzen cho công nghiệp là nhựa chưng cất, than đá, hexan và toluen của dầu mỏ Khi nung than béo ở nhiệt độ cao để luyện than cốc được nhựa than đá Trong nhựa than đá có chứa rất nhiều các chất hữu cơ khác nhau khi chưng cất phân đoạn thu được Benzen.

Cả Acetone và Benzene đều đóng vai trò quan trọng trong công nghiệp hóa học

1.2 Tổng quan về quá trình chưng cất, thiết bị chưng cất, dây

chuyền công nghệ:

Đối với hỗn hợp Benzene và Acetone là hỗn hợp hai cấu tử tan hoàn toàn vào nhau theo bất kỳ tỷ lệ nào có nhiệt độ sôi khác biệt nhau thì phương án tối ưu để tách hỗn hợp trên là chưng cất

1.2.1 Tổng quan về quá trình chưng cất:

1.2.1.1 Khái niệm:

Chưng cất là một phương pháp tách dùng nhiệt để tách hỗn hợp đồng thể (dung dịch) của các chất lỏng, khí khác nhau thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi

khác nhau sẽ đưa đến hóa chất tinh khiết hơn

Khi chưng cất ta sẽ thu được khá nhiều thành phẩm và nó thường phụ thuộc vào cấu tử,

Cấu tử bao nhiêu thì sẽ có bấy nhiêu sản phẩm

Bản chất của chưng cất chính là dựa vào nhiệt độ sôi hay nhiệt độ bay hơi khác nhau để

tách các cấu tử bằng cách lặp đi lặp lại nhiều lần quá trình bay hơi và ngưng tụ

1.2.1.2 Các phương pháp chưng trong sản xuất:

• Đối với chưng cất ta có hai phương pháp thực hiện:

- Chưng cất đơn giản (dùng thiết bị hoạt động theo chu kỳ):

Phương pháp này sử dụng trong các trường hợp như sau:

▪ Khi nhiệt độ sôi của các cấu tử khác xa nhau

▪ Khi không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao

▪ Tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi

▪ Tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử

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

1.2.1.3 Giới thiệu về phương pháp chưng luyện:

Chưng luyện là một phương pháp nhằm để phân tách một hỗn hợp khí đã hóa lỏng dựa trên độ bay hơi tương đối khác nhau giữa các cấu tử thành phần ở cùng một

áp suất

Phương pháp chưng luyện này là một quá trình trong đó hỗn hợp được bốc hơi

và ngưng tụ nhiều lần Kết quả cuối cùng ở đỉnh tháp ta thu được một hỗn hợp gồm hầu hết các cấu tử dễ bay hơi và nồng độ đạt yêu cầu Phương pháp chưng luyện cho hiệu suất phân tách cao, vì vậy nó được sử dụng nhiều trong thực tế

Dựa trên các phương pháp chưng luyện liên tục, người ta đưa ra nhiều thiết bị phân tách đa dạng như tháp chóp, tháp đĩa lỗ không có ống chảy truyền, tháp đĩa lỗ có ống chảy truyền, tháp đệm…

1.2.2 Thiết bị chưng cất:

1.2.2.1 Tháp đệm:

Tháp đệm là một tháp hình trụ gồm nhiều đoạn nối với nhau ban bích hay

hàn Trong tháp người ta đổ đầy đệm, tháp đệm được ứng dụng rộng rãi trông công nghệ hóa học để hấp thụ, chưng luyện, làm lạnh Tháp đệm có thể làm việc áp suất thường,

áp suất chân không, làm việc liên tục hoặc gián đoạn

Bảng 2 Ưu điểm và Nhược điểm của 2 tháp

Ưu điểm - Năng suất cao

- Hoạt động ổn định

- Cấu tạo đơn giản

- Trở lực thấp có bề mặt tiếp xúc pha lớn

- Hiệu quả tách cao

- Đệm có nhiều loại có kích thước khác nhau, khi kích thước càng nhỏ thì tăng bề mặt tiếp xúc làm tăng trở lực nên hơi khó nhưng triệt để, ngược

- Không làm việc với chất lỏng bẩn và trở lực lớn

- Khó làm ướt đều đệm, nếu tháp quá cao thì phân phối chất lỏng không đồng đều Để khắc phục, chia đệm thành nhiều tầng có đặt thêm đĩa phân phối chất lỏng đối với mỗi tầng…nhưng năng suất thấp vì trong tháp phần lớn thể tích đệm chiếm phần lớn ngoài ra có độ ổn định kém

1.3 Giới thiệu dây chuyền công nghệ:

Hình 5 Sơ đồ dây chuyền công nghê chưng luyện liên tục

Bảng 3 Chú thích:

1 Tháp chưng luyện gồm có 2 phần: phần

trên gồm từ trên đĩa tiếp liệu trở lên đỉnh

gọi là đoạn luyện, phần dưới gồm từ đĩa

tiếp liệu trở xuống gọi là đoạn chưng

6 Thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh

2 Thiết bị đun nóng để đun nóng hỗn hợp

đầu, Sử dụng thiết bị loại ống chum, dùng

hơi nước bão hòa để đun nóng vì nó có hệ

số cấp nhiệt lớn, ẩn nhiệt ngưng tụ cao,

Hơi nước bão hòa đi ngoài ống, lỏng đi

trong ống

7 Thùng chứa sản phẩm đỉnh

4 Bộ phận đun bốc hơi đáy tháp, có thể

đạt trong hay ngoài tháp, Ở đây ta cũng sử

dụng hơi nước bão hòa để đun với hơi đi

trong ống lỏng đi ngoài ống

ở thể lỏng và phân phối xuống dưới Như vậy trong tháp hơi Acetone đi từ dưới lên gặp lỏng Benzene đi từ trên xuống Vì nhiệt độ càng lên càng thấp nên khi hơi Acetone đi

từ dưới lên có mang theo một phần cấu tử Benzene, cấu tử có nhiệt độ sôi cao sẽ ngưng

tụ lại và cuối cùng ở trên đỉnh ta thu được hỗn hợp gồm hầu hết cấu tử Acetone dễ bay hơi Hơi Acetone vào thiết bị ngưng tụ(5) được ngưng tụ lại Một phần chất lỏng ngưng

đi qua thiết bị làm lạnh(6) đến nhiệt độ cần thiết rồi đi vào thùng chứa sản phẩm đỉnh(7) Một phần khác hồi lưu về tháp ở đĩa trên cùng để tăng mức độ tách

Tương tự quá trình dịch chuyển của Benzene sẽ kéo theo một phần cấu tử Acetone

và càng xuống thấp nhiệt độ của tháp càng tăng khi chất lỏng Benzene đi từ trên xuống gặp hơi Acetone có nhiệt độ cao hơn, một phần cấu tử có nhiệt độ sôi tháo được bốc hơi

và do đó nồng độ của Benzene khó bay hơi trong chất lỏng ngày càng tăng Cuối cùng

ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng gồm hầu hết là chất lỏng Benzene khó bay hơi Chất lỏng ở đáy tháp khi ra khỏi tháp được làm lạnh rồi đưa vào thùng chứa sản phẩm(8)

Để tiết kiệm hơi đốt người ta có thể dùng hơi ở đỉnh tháo để đun nóng hỗn hợp ban đầu

CHƯƠNG 2: TÍNH CÔNG NGHỆ THIẾT BỊ

CHÍNH

A CÂN BẰNG VẬT LIỆU VÀ NHIỆT LƯỢNG

2.1 Thông số ban đầu:

- F : lưu lượng mol hỗn hợp đầu, [kmol/h]

- P : lưu lượng mol sản phẩm đỉnh, [kmol/k]

- W : lưu lượng mol sản phẩm đáy, [kmol/h]

- GF : lưu lượng khối lượng hỗn hợp đầu, [kg/h]

- GP : lưu lượng khối lượng sản phẩm đỉnh, [kg/h]

- GW : lưu lượng khối lượng sản phẩm đáy, [kg/h]

- aF nồng độ khối lượng hỗn hợp đầu, [% khối lượng]

- aP : nồng độ khối lượng của sản phẩm đỉnh (là nồng độ khối lượng của cấu tử nhẹ ở trong hỗn hợp sản phẩm đỉnh), [% khối lượng]

- aW : nồng độ khối lượng của sản phẩm đáy (là nồng độ khối lượng của cấu tử nhẹ ở trong hỗn hợp sản phẩm đáy), [% khối lượng]

- aK: Nồng độ phần khối lượng của hỗn hợp đầu,sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy [% khối lượng]

- xF : nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp đầu, [% mol]

- xP : nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đỉnh, [% mol]

- xW : nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy, [% mol]

- MF : khối lượng mol trung bình của hỗn hợp đầu, [g/mol]

- MP : khối lượng mol trung bình của sản phẩm đỉnh, [g/mol]

- MW : khối lượng mol trung bình của sản phẩm đáy, [g/mol]

✓ Để thuận tiện trong quá trình tính toán, các ký hiệu sau:

- Acetone (CH3COCH3): là cấu tử nhẹ, kí hiệu là A; MA = 58 (g/mol),

- Benzene (C6H6 ) : là cấu tử nặng, kí hiệu là B: MB = 78 (g/mol)

2.2 Tính toán thiết kế:

2.2.1 Cân bằng vật liệu:

Phương trình cân bằng vật liệu chung cho toàn tháp,

𝐺𝐹 = 𝐺𝑃+ 𝐺𝑊 (1) Đối với cấu tử dễ bay hơi

𝐺𝐹 𝑎𝐹 = 𝐺𝑃 𝑎𝑃+ 𝐺𝑊 𝑎𝑊 (2) Lượng sản phẩm đỉnh là:

𝐺𝑃 = 1541,67 0,4 − 0,01

0,98 − 0,01= 619,84 [

𝑘𝑔ℎ

Thay số liệu vào ta có:

+ Thành phần mol trong hỗn hợp đầu

:

58 +

1 − 0,478

58 +

1 − 0,9878

58 +

1 − 0,0178

𝑀𝑃 = 𝑀𝐴 𝑥𝑃+ 𝑀𝐵 (1 − 𝑥𝑃) = 58.0,985 + 78 (1 − 0,985)

= 58,3 [𝑘𝑔⁄𝑘𝑚𝑜𝑙] Khối lượng phân tử trung bình của hỗn hợp đáy:

- Phương trình cân bằng vật liệu:

Cấu tử nặng B

2.2.1.3 Thành phần pha của hỗn hợp hai cấu tử Acetone – Benzene:

Bảng 5 Thành phần cân bằng lỏng (x) - hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp hai