Thiết kế tháp chưng cất hệ benzen – toluenbenzen

Đối với hệ benzen – toluen là hai cấu tử hòatan vào nhau và có nhiệt độ sôi khác xa nhau nên ta chọn phương pháp chưng cấttách các cấu tử trong hỗn hợp và thu được benzen co

Trang 1

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

Trang 2

4.2.5Bồn cao vị 58 4.2.6 Bơm 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO 68

ii

Trang 3

DANH MỤC BẢNG

MỤC LỤC i

1.1.1Khái niệm 1

2.3.1.1.Xác định số mâm lý thuyết 10

2.3.1.2.Xác định số mâm thực tế 12

3.1.1.1Lượng hơi trung bình đi trong tháp : 15

3.1.1.2Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp 16

3.1.2.1Lượng hơi trung bình đi trong tháp 17

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

Trang 4

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

Tính trọng lượng của toàn tháp: 35

Chân đỡ tháp: 36

Tai treo: 36

1.1.1Áp dụng công thức (V.140), trang 49, [6]: 44

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

Trang 5

DANH MỤC HÌNH

MỤC LỤC i

1.1.1Khái niệm 1

2.3.1.1.Xác định số mâm lý thuyết 10

2.3.1.2.Xác định số mâm thực tế 12

3.1.1.1Lượng hơi trung bình đi trong tháp : 15

3.1.2.1Lượng hơi trung bình đi trong tháp 17

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

Trang 6

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

Tính trọng lượng của toàn tháp: 35

Chân đỡ tháp: 36

Tai treo: 36

1.1.1Áp dụng công thức (V.140), trang 49, [6]: 44

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

Trang 7

LỜI MỞ ĐẦU

Một trong những ngành có sự đóng góp to lớn đến nền công nghiệp nước tanói 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 phẩmhóa học, nhu cầu sử dụng nguyên liệu hoặc sản phẩm có độ tinh khiết cao phải phuhợp 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 cósự lựa chọn phương pháp thích hợp Đối với hệ benzen – toluen là hai cấu tử hòatan vào nhau và có nhiệt độ sôi khác xa nhau nên ta chọn phương pháp chưng cấttách 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 trongquá trình học tập của các kỹ sư hóa trong tương lai Môn học giúp sinh viên giảiquyết 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 nhũngvấn 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 hoạtđộng liên tục với năng suất nhập liệu là 2500 kg/h có nồng độ 25% mol benzen, thuđược sản phẩm đỉnh có nồng độ 95% mol benzen và sản phẩm đáy có nồng độ là5% mol benzen

Em chân thành cảm ơn các quý thầy cô bộ môn Công nghệ Hóa học và bộmôn 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 rấtmong quý thầy cô và các bạn góp ý, chỉ dẫn

Trang 8

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CHƯNG

 Thay vì đưa vào trong hỗn hợp một pha mới để tạo nên sự tiếp xúc giữa haipha như trong quá trình hấp thu hoặc nhả khí, trong quá trình chưng cất pha mớiđược tạo nên bằng sự bốc hơi hoặc ngưng tụ

 Chưng cất và cô đặc khá giống nhau, tuy nhiên sự khác nhau căn bản nhấtcủa 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), còntrong 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 sẽthu 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

Trang 9

Chương 1 Tổng quan về quá trình chưng cất

 Nguyên tắc làm việc: dựa vào nhiệt độ sôi của các cấu tử, nếu nhiệt độsôi của các cấu tử quá cao thì ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi của cáccấu 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 tiếnhành chưng cất Tuy nhiên, yêu cầu cơ bản chung của các thiết bị vẫn giống nhaunghĩa là diện tích tiếp xúc pha phải lớn Điều này phụ thuộc vào mức độ phân táncủa một lưu chất này vào lưu chất kia Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta có cácloại tháp mâm, nếu pha lỏng phân tán vào pha khí ta có tháp chêm, tháp phun,… Ởđây 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 mâmcó cấu tạo khác nhau, trên đó pha lỏng và pha hơi đượ cho tiếp xúc với nhau Tuỳtheo 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 nhaubằng mặt bích hay hàn Vật chêm được cho vào tháp theo một trong hai phươngpháp sau : xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự

Trang 10

Ưu

điểm

- Cấu tạo khá đơn giản

- Trở lực thấp

- Làm việc được với chất lỏng

bẩn nếu dung đệm cầu cóρ ≈ρ

- Hiệu suất cao

Nhược

điểm

- Do có hiệu ứng thành → hiệu

suất truyền khối thấp

- Độ ổn định không cao, khó

vận hành

- Do có hiệu ứng thành → khi

tăng năng suất thì hiệu ứng

thành tăng → khó tăng năng

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 thơmnhẹ.Công thức phận tử là C6H6 Benzen không phân cực, vì vậy tan tốt trong cácdung môi hữu cơ không phân cực và tan rất ít trong nước Trước đây người tathường sử dụng benzen làm dung môi Tuy nhiên sau đó người ta phát hiện ra rằngnồng độ benzen trong không khí chỉ cần thấp khoảng 1ppm cũng có khả năng gây rabệnh bạch cầu, nên ngày nay benzen được sử dụng hạn chế hơn

Các tính chất vật lí của benzen:

 Tỉ trọng (20oC): 0,879

Đồ án Quá trình và Thiết bị hóa chất

3

Trang 11

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 –CH3 Không phân cực, do đótoluen tan tốt trong benzen.Toluen có tính chất dung môi tương tự benzen nhưngđộc tính thấp hơn nhiều, nên ngày nay thường được sử dụng thay benzen làm dungmôi 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

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

 Các ankan có thể tham gia đóng vòng và dehydro hóa tạo thành hydrocacbon thơm ở nhiệt độ cao và có mặt xúc tác như Cr2O3, hay các lim loại chuyểntiếp như Pd, Pt

CH3(CH2)4CH3 → C6H6

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

Trang 12

 Từ benzen ta có thể điều chế được các dẫn xuất của benzen nhưtoluen bằng phản ứng Friedel - Crafts (phản ứng ankyl hóa benzen bằng các dẫnxuất 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]

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

Trang 13

1.2.5 Thuyết minh quy trình:

Hỗn hợp Benzen – Toluen có nồng độ Benzen là 25% mol, nhiệt độ nguyênliệu 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 ốnglồng ống Sau đó hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất (7) ở đĩa nhập liệu và bắtđầu quá trình chưng cất Lưu lượng dòng nhập liệu được kiểm soát qua lưu lượngkế (5)

Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn luyện của thápchảy xuống Trong tháp, hơi đi dưới lên gặp lỏng đi từ trên xuống Ở đây có sự tiếpxúc và trao đổi giữa hai pha với nhau Pha lỏng chuyển động trong phần chưng càngxuống 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 khihơi 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), đượclàm nguội bằng thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống (12) rồi được đưa qua bồn chứasản phẩm đỉnh (14) Phần còn lại của chất lỏng ngưng tụ được hoàn lưu về tháp ởđĩa 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 dịchlỏng một phần sẽ bốc hơi cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại rakhỏi 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 làtoluen

Trang 14

Chương 1 Tởng quan về quá trình chưng cất CBHD: Vũ Trường Sơn

13 12

Nước ngưng

T T

11

10

8

7 4 3

Trang 15

CHƯƠNG 2 CÂN BẰNG VẬT CHẤT

2.1 Các thông số ban đầu

− 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 sảnphẩm đỉnh và sản phẩm đáy

Ta có a =

T B

B M x M

x

M x

).

1 (

.

− +

aF =

T F B

F

B F

M x M

x

M x

).

1 (

.

− + = 0 , 25 (1 0 , 25) 92

78 25 , 0

×

− +

×

= 0,22

aD =

T D B

D

B D

M x M

x

M x

).

1 (

.

− + = 0 , 95 78 ( 1 0 , 95 ) 92

78 95 , 0

−

Trang 16

Chương 2 Cân bằng vật chất CBHD: Vũ Trường Sơn

aW =

T W B

W

B W

M x M

x

M x

).

1 (

.

− + =0 , 05 78 ( 1 0 , 05 ) 92

78 05 , 0

Giải hệ phương trình (1) và (2) ta được:

Lượng dòng sản phẩm đỉnh:

Bảng 2.2 Thành phần Benzen – Toluen trong hỗn hợp

Trang 17

2.3 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 =

F F

F D

x y

y x

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 = +1

i

D R x

Vẽ các đường làm việc của đoạn luyện ứng với các giá trị Bi đó Từ đó qua đồthị ta tìm được các giá trị Ni tương ứng Từ các giá trị Ni tìm được ta thành lập cácgiá trị tương ứng Ni(Ri + 1)

Bảng 2.3 Quan hệ tỉ số hồi lưu thích hợp với Ni

Từ đồ thị bên dưới ta xác định được:

Rlt = 4,11 ; Blt = 0,186

Trang 18

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)

Trang 19

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 nhớtcủa Benzen và Toluen ở nhiệt độ và nồng độ tương ứng

x1, x2: nồng độ mol của Benzen và Toluen

µ1, µ2 : độ nhớt động lực của Benzen và Toluen

Độ nhớt sản phẩm đỉnh:

Trang 20

Độ bay hơi tương đối của sản phẩm đỉnh:

αD =

D

D y

x

−

1

= 1−0,0118,118 1−0,005,05 = 2,542Số mâm thực tế được tính theo công thức:

Nt =

tb lt N

η [5] trang 170 Trong đó: Nlt : số mâm lý thuyết

ηtb: hiệu suất trung bình của thiết bị

ηtb =

n

ηη

η1+ 2 + +

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 độnhớt của hỗn hợp lỏng ηtb = f(α µ)

η = 0 , 53542

5 , 10

= 19,6 mâm Chọn Nt = 20 mâm

Trang 21

Số mâm đoạn chưng: 8 mâm

Số mâm đoạn cất: 11 mâm

Số mâm nhập liệu: 1 mâm

Trang 22

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN – THIẾT KẾ THÁP CHƯNG

CẤT 3.1 Đường kính tháp (Dt)

tb y y tb g

) ω ( 0188 , 0 ω 3600.

π

4V D

tb

tb t

ρ

=

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 :

2

1

g g

tb

+

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)

D

r g r

g

x D x G y

g

D G

g

1

1 1 1

1

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 :

Trang 23

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 :

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:

Với : ρxtb : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (kg/m3)

ρytb : khối lượng riêng trung bình của pha hơi (kg/m3)

273.92.178

+

−+

=

tb

tb tb

ytb

t

y y

= 0,6

tb tb

x x

− +

Trang 24

8 ,

N hh

T B hh

/ 07 , 10 /

10 07 , 10 1

1

σ σ

21 , ,

g’n : lượng hơi ra khỏi đoạn chưng (kg/h)

g’1 : lượng hơi đi vào đoạn chưng (kg/h)

1

' 1

1

'

1 ' 1

'

.'.''

'

r g r g r

g

x W y g x

G

W g G

n n

W

Trang 25

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)

, 2695 2

' 1

'

=

+

= +g

g n

(kg/h)

Tốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp với mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền:

ytb

xtb gh

'

' 05 , 0

'

ρ

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)

273.92.'178.''

+

−+

=

tb

tb tb

ytb

t

y y

Trang 26

= 0,15

Suy ra : ' 78 ' 78(1. ' ' ).92

tb tb

x x

− +

t’tb = 104,35oC , tra tài liệu tham khảo [4] trang 9, ta có :

Khối lượng riêng của benzen: ρ’B = 787,78 (kg/m3)

Khối lượng riêng của toluen: ρ’T = 783,22 (kg/m3)

Suy ra : ρ’xtb =

1

'

' 1 '

Xác định ϕ[ ]σ : hệ số tính đến sức căng bề mặt

Ta có:

cm dyn m

N hh

T B hh

/ 3 , 9 / 10 3 , 9 1

1

1 = + ⇒σ = − 3 =

σσ

35,1

19,2724.0188,0)ω.(0188,0

86,2

35,1

ρρVậy : đường kính đoạn chưng Dchưng= 0,845 (m)

Trang 27

Kết luận : hai đường kính đoạn cất và đoạn chưng không chênh lệch nhau quá

lớn nên ta chọn đường kính của toàn tháp là : Dt = 0,85 (m)

Khi đó tốc độ làm việc thực ở :

+ Phần cất : ωlv = 0,01880,85..26252,76,49 0,465

.0188,0

Nt : số đĩa thực tế

δ : bề dày của đĩa (m)

m = 0,8 ÷ 1 (m) khoảng cách cho phép ở đỉnh và đáy thiết bị

Hđ : khoảng cách giữa các đĩaChọn m = 0,8 (m)

H = 20.(0,3 + 0,0018) + 0,8 = 6,836 (m)

Hđáy = Hnắp = ht + hgờ = 0,15 + 0,05 = 0,2 (m)

Chiều cao tháp là: H = 6,835 + 0,2 0,2 = 7,235 (m) (xem phần đáy nắp)

3.3 Mâm lỗ – trở lực của mâm

3.2.1 Cấu tạo mâm lỗ

Chọn : + Đường kính lỗ : dl = 3 (mm)

+ Tổng diện tích lỗ bằng 8% diện tích mâm

+ Khoảng cách giữa hai tâm lỗ bằng 2,5 lần đường kính lỗ (bố trí lỗtheo tam giác đều )

+ Tỷ lệ bề dày mâm và đường kính lỗ là 6/10

+ Diện tích dành cho ống chảy chuyền là 20% diện tích mâm

Số lỗ trên 1 mâm :

003 , 0

85 , 0 08 , 0

08 ,

= 6422 lỗ

Trang 28

Vậy: ta bố trí các lỗ trên 1 hàng là 47 lỗ, số lỗ trên đường chéo là 93 lỗ

3.2.2 Độ giảm áp của pha khí qua một mâm

Độ giảm áp tổng cộng của pha khí (tính bằng mm.chất lỏng ) là tổng các độgiảm áp của pha khí qua mâm khô và các độ giảm áp do pha lỏng:

htl = hk + hl + hR (mm chất lỏng)

Với : + hk :độ giảm áp qua mâm khô (mm chất lỏng)

+ hl : độ giảm áp do chiều cao lớp chất lỏng trên mâm(mm chất lỏng)

+hR : độ giảm áp do sức căng bề mặt (mm chất lỏng)

Trong tháp mâm xuyên lỗ, gradien chiều cao mực chất lỏng trên mâm ∆ làkhông đáng kể nên có thể bỏ qua

3.2.3 Độ giảm áp qua mâm khô

Độ giảm áp của pha khí qua mâm khô được tính dựa trên cơ sở tổn thất áp suất

do dòng chảy đột thu , đột mở và do ma sát khi pha khí chuyển động qua lỗ

C

u g

ρ 51,0. .

2

2 2

Với : + uo :vận tốc pha hơi qua lỗ (m/s)

+ ρG : khối lượng riêng của pha hơi (kg/m3)

+ ρL : khối lượng riêng của pha lỏng (kg/m3)

+ Co : hệ số orifice, phụ thuộc vào tỷ số tổng diện tích lỗ với diện tíchmâm và tỷ số giữa bề dày mâm với đường kính lỗ

• Đối với mâm ở phần cất :

+ Vận tốc pha hơi qua lỗ : uo =8ω%lv =00,,46308

= 5,788 (m/s)

+ Khối lượng riêng của pha hơi : ρG = ρytb = 2,76 (kg/m3)

+ Khối lượng riêng của pha lỏng : ρL = ρxtb = 800,48 (kg/m3)

Suy ra độ giảm áp qua mâm khô ở phần cất :

Trang 29

48 , 800

76 , 2 735 , 0

788 , 5 0 ,

•Đối với mâm ở phần chưng :

+ Vận tốc pha hơi qua lỗ : u’o =ω8%'lv =00,,46608

= 5,825 (m/s)

+ Khối lượng riêng của pha hơi : ρ’G = ρ’ytb = 2,86 (kg/m3)

+ Khối lượng riêng của pha lỏng : ρ’L = ρ’xtb = 783,81 (kg/m3)

Suy ra độ giảm áp qua mâm khô ở phần chưng :

81 , 783

86 , 2 735 , 0

825 , 5 0 , 51

3.2.4 Độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm

Phương pháp đơn giản để ước tính độ giảm áp của pha hơi qua mâm do lớpchất lỏng trên mâm hl là từ chiều cao gờ chảy tràn hw , chiều cao tính toán của lớpchất lỏng trên gờ chảy tràn how và hệ số hiệu chỉnh theo kinh nghiệm β :

hl = β.( hw + how ) , (mm.chất lỏng)

Chọn : + Hệ số hiệu chỉnh : β = 0,6

+ Chiều cao gờ chảy tràn : hw = 50 (mm)

Chiều cao tính toán của lớp chất lỏng trên gờ chảy tràn được tính từ phươngtrình Francis với gờ chảy tràn phẳng :

3

4 , 43

Với : + qL : lưu lượng của chất lỏng (m3/ph)

+ Lw :chiều dài hiệu dụng của gờ chảy tràn (m)

•Xác định Lw :

Tính chiều dài gờ chảy tràn:

Trang 30

Diện tích dành cho ống chảy chuyền là 20% diện tích mâm, nên ta có phươngtrình sau :

Với no là góc ở tâm chắn bởi chiều dài đoạn Lw

Dung phương pháp lặp ta được : no = 93o12’22”

Suy ra: Lw = Dt sin(no/2) = 0,618 (m)

•Xác định qL :

* Phần cất : = 60. .. = 604,11.800.500,48

xtb

D L

M D R q

618 , 0

0428 , 0 4 ,

4,4752'

.60

M G q

3.2.5 Độ giảm áp do sức căng bề mặt

Độ giảm áp do sức căng bề mặt được xác định theo biểu thức :

l L R

d

h

54 , 625

23

Trang 31

Với : + σ : sức căng bề mặt của chất lỏng (dyn/cm)

+ ρL : khối lượng riêng của pha lỏng (kg/m3)

•Phần cất :

* Khối lượng riêng của pha lỏng : ρL = ρxtb = 800,48 (kg/m3)

* ttb = 90,825oC, [4 (tập 1)], ta có :

+ Sức căng bề mặt của benzen : σB = 19,95 (dyn/cm)

+ Sức căng bề mặt của toluen : σT = 20,36 (dyn/cm)

Suy ra: Sức căng bề mặt của chất lỏng ở phần cất :

T B

hh σ σ

σ σ

07 , 10 54 , 625

=

R

•Phần chưng :

* Khối lượng riêng của pha lỏng : ρ’L = ρ’xtb = 783,81 (kg/m3)

* t’tb = 104,35oC ,tra tài liệu tham khảo [4], ta có :

+ Sức căng bề mặt của benzen : σ’B = 18,278 (dyn/cm)

+ Sức căng bề mặt của toluen : σ’T = 18,94 (dyn/cm)

Suy ra sức căng bề mặt của chất lỏng ở phần chưng:

T B

hh ' '

' '

'

σσ

3 , 9 54 , 625

'R =

Tóm lại: Độ giảm áp tổng cộng của pha khí qua một mâm ở:

+ Phần cất: htl = 10,94 + 34,932 + 2,623 = 47,955 (mm chất lỏng)

hay htl = 376,58 (N/m2)

+ Phần chưng: h’tl = 11,69 + 37,734 + 2,474 = 51,898 (mm chất lỏng)

hay h’tl = 399,05 (N/m2)

Trang 32

Suy ra: Tổng trở lực của toàn tháp hay độ giảm áp tổng cộng của toàn tháp(xem độ giảm áp tổng cộng của pha khí qua mâm nhập liệu bằng độ giảm áp tổngcộng của pha khí qua một mâm ở phần chưng )

∑htl = 11 htl + 8 h’tl = 11 376,58 + 8 399,05 = 7334,78 (N/m2)

3.4 Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động :

Chọn khoảng cách giữa hai mâm là hmâm = 300 (mm)

Bỏ qua sự tạo bọt trong ống chảy chuyền, chiều cao mực chất lỏng trong ốngchảy chuyền của mâm xuyên lỗ được xác định theo biểu thức :

S

Q

trong đó : + QL : lưu lượng của chất lỏng (m3/h)

+ Sd : tiết diện giữa ống chảy chuyền và mâm, khi đó :

Sd = 0,8 Smâm = 0,8 π 0,4252 = 0,454 (m2)

• Phần cất : QL = 60.qL = 60 0,0428 = 2,568 (m3/h)

Suy ra :

2 '

454 , 0 100

568 , 2 128 ,

454 , 0 100

6

128 , 0

Trang 33

2

300 2

mâm = =

h

(mm): đảm bảo khi hoạt động cácmâm ở phần chưng sẽ không bị ngập lụt

Vậy khi hoạt động đảm bảo tháp sẽ không bị ngập lụt

Chiều cao của thân tháp: Hthân = Ntt (hmâm+ δmâm ) + 0,8

=20.(0,3 + 0,0018) + 0,8 = 6,835 (m)

Chiều cao của đáy và nắp: Hđ = Hn =ht +hgờ =0,15 + 0,05 = 0,2 (m)

(Xem ở phần : Đáy và Nắp thiết bị )

Chiều cao của tháp : H = Hthân + Hđ + Hn = 7,235 (m)

3.5 Kích thước ống chảy chuyền:

- Chọn số ống chảy chuyền: z = 1 ống

- Đường kính ống chảy chuyền

z w

G d

c x

x c

.3600

4ρπ

ống chảy chuyền: chọn wc = 0,1 m/s

trong tháp: Gx (kg/h)

của lỏng:ρx(kg/m3)

- Lượng lỏng trung bình trong tháp:

Lượng lỏng trung bình trong phần luyện:

 Lượng lỏng ở đĩa thứ nhất đoạn cất: G1 = 2195,98 (kg/h)

 Lượng lỏng hoàn lưu: Gh = Rth.D = 4,11.500 = 2055 (kg/h)

Lượng lỏng trung bình trong phần chưng:

 Lượng sản phẩm đáy: W = 2000 kg/h

 Lượng lỏng mâm nhập liệu: G2 = G1’ + F = 2500 + 4752,4 = 72525,4kg/h

Trang 34

h kg

tb

tbL

tbC

/145

,

792

/81

,

783

/48

845,3375.4

.3600

4

m z

w

G d

c x

x

πρ

3.6 Tính toán cơ khí của tháp

Vì tháp chưng cất hoạt động ở áp suất thường nên ta thiết kế thân hình trụbằng phương pháp hàn giáp mối (phương pháp hồ quang) Thân tháp được ghép vớinhau bằng các mối ghép bích

Để đảm bảo chất lượng của sản phẩm và khả năng ăn mòn của Benzen đối vớithiết bị, ta chọn vật liệu chế tạo thân tháp là thép không gỉ mã X18H10T

Tháp làm việc ở áp suất khí quyển, nên ta chọn áp suất tính toán :

Ptt =Pcl + ∑htl + 9,81.10-2 , (N/mm2)

Với : Pcl : áp suất thủy tĩnh do chất lỏng ở đáy (N/mm2)

Chọn áp suất tính toán sao cho tháp hoạt động ở điều kiện nguy hiểm nhất màvẫn an toàn nên :

Trang 35

Suy ra Ptt = 56222,77 + 3719,92 + 9,81.104 = 158042,68 (N/m2) ~0,158043(N/mm2)

3.4.1.2Nhiệt độ tính toán :

Chọn nhiệt độ tính toán : ttt = tđáy = 108,3oC

Tra tài liệu tham khảo [6], ứng suất tiêu chuẩn đối với thép X18H10T :

[σ]* = 142 (N/mm2)

Đối với rượu hệ số hiệu chỉnh : η = 1

Vậy : ứng suất cho phép : [σ] = η.[σ]* = 142 (N/mm2)

3.4.1.3Xác định bề dày thân chịu áp suất trong

Ta chọn phương pháp chế tạo thân là phương pháp hàn hồ quang điện bằngtay nên hệ số bền mối hàn : ϕh = 0,9

158043 ,

0

142 h =

tt

thân được tính theo công thức sau :

158043 ,

0 850

.

2

' = =

h

tt t t

P D

S

ϕ

Suy ra : bề dày thực của thân : St = S’t + C ,(mm)

Trong đó : C :hệ số bổ sung bề dày, C = Ca + Cb + Cc + Co

Với : + Ca : hệ số bổ sung do ăn mòn hoá học, phụ thuộc vào tốc độ ăn mòncủa chất lỏng Chọn tốc độ ăn mòn của Benzen là 0,1 (mm/năm),thiết bị hoạt độngtrong 20 năm, do đó Ca = 2 mm

+Cb : hệ số bổ sung do bào mòn cơ học, chọn Cb = 0

+Cc : hệ số bổ sung do sai lệch khi chế tạo, chọn Cc = 0

+Co : hệ số bổ sung qui tròn, chọn Co =0,4746 (mm)

Trang 36

[ ] 2.[ ] (. (. ) ) = 2.850142.+0,(93.(−32−)2)

−+

−

=

a t t

a t h tt

C S D

C S

=0,300 > Ptt : đúng

Vậy : Bề dày thực của thân là St = 3 (mm)

3.4.2 Đáy và nắp thiết bị

Chọn đáy và nắp có dạng là ellipise tiêu chuẩn, có gờ bằng thép X18H10T

Nhận thấy: công thức tính toán bề dày thân, đáy và nắp chịu áp suất trong lànhư nhau Nên chọn bề dày của đáy và nắp là Sđ = Sn = 3 (mm)

Các kích thước của đáy và nắp ellipise tiêu chuẩn, có gờ(tài liệu tham khảo[4(tập 2)]:

+ Đường kính trong: Dt = 850 (mm)

+ ht =212,5 (mm)

+ Chiều cao gờ: hgờ = h = 50 (mm)

+Diện tích bề mặt trong: Sđáy = 0,92 (m2)

3.4.2.1 Bích ghép thân, đáy và nắp

Mặt bích là bộ phận quan trọng dung để nối các phần của thiết bị cũng như nốicác bộ phận khác với thiết bị Các loại mặt bích thường sử dụng:

+ Bích liền: là bộ phận nối liền với thiết bị (hàn, đúc và rèn) Loại bích nàychủ yếu dung thiết bị làm việc với áp suất thấp và áp suất trung bình

+ Bích tự do: chủ yếu dung nối ống dẫn làm việc ở nhiệt độ cao, để nối các bộbằng kim loại màu và hợp kim của chúng, đặc biệt là khi cần làm mặt bích bằng vậtliệu bền hơn thiết bị

+ Bích ren: chủ yếu dung cho thiết bị làm việc ở áp suất cao

Chọn bích được ghép thân, đáy và nắp làm bằng thép X18H10T, cấu tạo củabích là bích liền không cổ

Trang 37

Theo tài liệu tham khảo [5]- trang 417, ứng với Dt =850(mm) và áp suất tínhtoán Ptt = 0,158043 (N/mm2) ta chọn bích có các thông số sau :

Bảng 3.1 Kích thước của bích ghép thân, đáy nắp

3.4.2.2 Đường kính các ống dẫn – Bích ghép các ống dẫn :

Bích được làm bằng thép CT3, cấu tạo của bích là bích liền không cổ

Định dạng
Số trang	75
Dung lượng	1 MB