thiết kế tháp đệm để chưng cất hỗn hợp benzen toluen năng suất nhập liệu là 21600 kg trên giờ

Nhu cầu này đặt ra cho các nhà sản xuất hóa chất sử dụng nhiềuphương pháp để nâng cao độ tinh khiết của sản phẩm như : trích ly, chưng cất, côđặc, hấp thu … Tuỳ theo đặc tính yêu cầu c

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN TRƯỞNG BỘ MÔN Kí tên Kí tên

LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển đóng góp to lớn cho nền

công nghiệp nước ta nói riêng và thế giới nói chung Một trong những ngành cóđóng góp vô cùng to lớn đó là ngành công nghiệp hóa học, đặc biệt đó là ngành sảnxuất các hóa chất cơ bản,phục vụ cho đa số các ngành công nghiệp

Hiện nay, các ngành công nghiệp cần sử dụng rất nhiều hóa chất có độ tinhkhiết cao Nhu cầu này đặt ra cho các nhà sản xuất hóa chất sử dụng nhiềuphương pháp để nâng cao độ tinh khiết của sản phẩm như : trích ly, chưng cất, côđặc, hấp thu … Tuỳ theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có sự lựa chọnphương pháp cho phù hợp Đối với hệ benzen – toluen là hệ 2 cấu tử tan lẫn vônhau, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục để nâng cao độ tinh khiết cho benzen

Đồ án môn học Quá trình & Thiết bị là một môn học mang tính tổng hợp trongquá trình học tập của các kỹ sư Công nghệ Hóa học trong tương lai Môn học nàygiúp sinh viên có thể tính toán cụ thể : quy trình công nghệ, kết cấu, giá thành củamột thiết bị trong sản xuất hóa chất - thực phẩm Đây là lần đầu tiên sinh viên đượcvận dụng các kiến thức đại học để giải quyết các vấn đề kỹ thuật thực tế một cáchtổng hợp

Nhiệm vụ của đồ án là thiết kế tháp đệm để chưng cất hỗn hợp benzen-toluen cónổng độ 97,5% phần khối lượng benzen, nồng độ sản phẩm đáy là 1,8%, nồng độnhập liệu là 37% khối lượng benzen,nhập liệu ở trạng thái lỏng sôi với năng suấtnhập liệu là GF=21600kg/h

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình hoàn thành đồ án, với vốn kiến thức còn hạn chế nên không thể tránh khỏi những sai sót Kính mong được sự quan tâm và đóng góp ý kiến của quý thầy cô

để bài báo cáo đồ án của chúng em được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG I: TÔNG QUAN LÝ THUYẾT 1.1 Nguyên vật liệu quá trình chưng cất

nguyên liệu cho quá trình chưng cất hệ Benzen –Toluen là hỗn hợp sản phẩn của quá trình sản xuất Benzen từ quá trinh hidrodealky hóa Toluen Để thu được benzen có độ tinh khiết cao

1.2 Sản phẩm

sản phẩm của quá trình chưng cất Benzen –Toluen ta mong muốn thu được là:Benzen tinh khiết nồng độ đạt 97,5%

Benzen: là một hợp chất mạch vòng, ở dạng lỏng không màu và có mùi thơm nhẹ.

Công thức phân từ là C6H6 Benzen không phân cực, vì vậy tan tốt trong các dung môihữu cơ không phân cực và tan ít trong nước

Các tính chất vật lí của benzen:

 Khối lượng phân tử: 78,11

 Tỉ trọng (200C): 0,879

 Nhiệt độ sôi: 800C

 Nhiệt độ nóng chảy: 5,50C

Tính chất hóa học của benzen:

Về thành phần , benzen thuộc loaaj hidrocacbon vòng không no liên hợp , nhưng khácvới hidrocacbon thuộc dãy etylen, benzen thể hiện tính chất vốn có của hidrocacbon

no chẳng hạn benzen bền vững với tác dụng của các chất oxy hóa, dễ tham gia phảnứng thê hơn phản ứng cộng,v.v… sở dĩ benzen và những hợp chất thơm khác có tínhchất đặc biệt này là vì nhân benzen tương đối bền vững với các phản ứng hóa học

Benzen có vai trò quan trọng trong thực tế là nguyên liệu đầu cho nhiều ngành côngnghiệp hưu cơ Sản xuất thuốc trừ sâu, thuốc kích thích tăng trưởng , ngành côngnghiệp nhuộm, keo dán…

ngoài ra benzen còn được sử dụng làm dung môi trong phòng thí nghiệm, sản xuất kháng sinh aspirin , tơ nhân tạo và thủy tinh hữu cơ.

Toluen: Là một hợp chất mạch vòng, ở dạng lỏng không màu và có tính thơm Công

thức phân từ là C6H5-CH3 Toluen không phân cực, vì vậy tan tốt trong các dung môihữu cơ không phân cực và tan ít trong nước Toluen sau khi chưng tách sẽ hồi lưu lại

để tiếp tục quy trình hidrodealkyl hóa toluen để sản xuất benzen

Các tính chất vật lí của Toluen:

 Khối lượng phân tử: 92,13

 Tỉ trọng (200C): 0,866

 Nhiệt độ sôi: 1110C

 Nhiệt độ nóng chảy: -950C

1.3 Cơ sở lý thuyết của quá trình

1.3.1 Khái niệm chưng cất

Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng cũng như hỗnhợp khí lỏng thành các cấu tử riệng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau cùa các cấu tửtrong hỗn hợp (nghĩa là khi ở cùng một nhiệt độ, áp suất hơi bão hoà của các cấu tửkhác nhau)

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

Trong trường hợp đơn giản nhất, chưng cất và cô đặc không có gì khác nhau, tuy nhiêngiữa hai quá trình này có một ranh giới cơ bản là trong quá trình chưng cất dung môi

Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu được bấynhiêu sản phẩm Nếu xét hệ đơn giản thì có hai cấu tử thì ta thu được hai sản phẩm:

 Sản phẩm chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần rất ít các cấu tử

có độ bay hơi bé

 Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi bé và một phần rất ít cấu tử

có độ bay hơi lớn

Đối với hệ Benzen – Toluen

 Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm Benzene và một ít Toluen

Sản phẩm đáy chủ yếu là Toluen và một ít Benzen

b Phân loại theo nguyên lý làm việc

- Chưng cất đơn giản

- Chưng bằng hơi nước trực tiếp

1.3.3 Thiết bị chưng cất

Trong sản suất , người ta thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để tiến hành chưngcất Tuy nhiên, yêu cầu cơ bản của các thiết bị giống nhau nghĩa là diện tích bề mặttiếp xúc pha phải lớn, điều này phụ thuộc vào mức độ phân tán của một lưu chất nàyvào lưu chất kia Nếu pha phân tán vào pha lỏng ta có các loại tháp mâm, nếu pha lỏngphân tán vào pha khí ta có tháp chêm, tháp phun, Ở đây ta khảo sát hai loại thườngdùng là tháp mâm và tháp chêm

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

 Tháp mâm chóp: Trên mâm bố trí có chóp dạng tròn, xupap, chữ s, có rãnhxung quanh để pah khí đi qua và ống chảy chuyền có hình tròn

 Tháp mâm xuyên lỗ: Trên mâm có nhiều lỗ rãnh

 Tháp chêm (tháp đệm): Tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối với nhau bằngmặt bích hay hàn Vật chêm được cho vào tháp theo một trong hai phươngpháp: Xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự

So sánh ưu nhược điểm các loại tháp:

- Do có hiệu ứng thành → Khităng năng suất thì hiệu ứngthành tăng → Khó tăng năngsuất.

- Thiết bị khá nặng nề

Vậy: Ta sử dụng tháp mâm chóp để chưng cất hệ Benzen – Toluen

1.3 Thông số quá trình chưng cất

nhu cầu sử dụng benzen trong các ngành công nghiệp việt nam như thuốc trừ sâu, sảnxuất tơ nhân tạo, cao su tổng hợp và dược phẩn là rất cao nhu cầu khoảng 70000tấn/năm benzen tinh khiết với nhu cầu trên người ta sử dụng toluen là sản phẩm củaquá trình hóa dầu để tiến hành sản xuất benzen bằng phương pháp hidrodealkyl hóatoluen Quá trình hidrodealkyl hóa toluen hiệu suất dạt 35%- 40%,trong quá trìnhchưng tách yêu cầu Sản phẩm benzen đạt độ tinh khiết cao từ 96%-98% , nồng độ sảnphẩm đáy tháp có lẫn benzen 2%

chọn thông số ban đầu của quá trình

+ Năng suất nhập liệu: GF= 21600kg/h

+ Nồng độ nhập liệu: a F= 37% (kg Benzen / kg hỗn hợp)

+ Nồng độ sản phẩm đỉnh: a P= 97,5% (kg Benzen / kg hỗn hợp)

+ Nồng độ sản phẩm đáy: a w= 1,8% (kg Benzen / kg hỗn hợp)

+ Nhiệt độ nguyên liệu đầu vào Td = 25 oC

+ Nhiệt độ sản phẩm của đáy tháp chưng cất TC =110oC

Với thông số trên là phù hợp với yêu cầu của quá trinh chưng tách benzen-toluen

trong sản xuất benzen bằng phương pháp hidrodealkyl hóa toluen

CHƯƠNG II: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 1.1 Sơ đồ quy trình công nghệ.

1.2 Thuyết minh quy trình công nghệ

Hỗn hợp benzen-toluen tại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm vào thiết bịgia nhiệt (3).Ở đây hỗn hợp được gia nhiệt sau đó hỗn hợp được đưa vào tháp chưngcất (5) ở đĩa nhập liệu

Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn cất của tháp chảyxuống Trong tháp hơi đi từ dưới lên gặp chất lỏng 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 xuốngdưới càng giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi tạo nên từ nồi đun lôicuốn cấu tử dễ bay hơi Nhiệt độ càng lên trên càng thấp, nên khi hơi đi qua các đĩa từdưới lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao là toluen sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnhtháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử bezen chiếm nhiều nhất Hơi này đi vào thiết bịngưng tụ(6) và được ngưng tụ 1 phần (chỉ ngưng tụ hồi lưu) Một phần chất lỏngngưng được đưa qua thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh(7) trước khi đưa vào bồn chứasản phẩm đỉnh(8) Phần còn lại của chất lỏng ngưng được hồi lưu về tháp ở đĩa trêncùng với tỉ số hoàn lưu tối ưu Một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp được bốc hơi, cònlại cấu tử có nhiệt độ sôi cao trong chất lỏng ngày càng tăng

Cuối cùng ở đáy thu được hỗn hợp lỏng gồm hầu hết là cấu tử khó bay hơi (toluen).Hỗn hợp đáy có toluene và một phần benzen Dung dịch lỏng ở đáy đi ra khỏi tháp, 1

1.3 các thiết bị chính của quy trình.

-tháp chưng luyện liên tục.

- van

- bồn chứa nhập liệu,sản phẩm đỉnh,sản phẩm đáy

-thiết bị đun sôi dòng nhập liệu

CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN SƠ BỘ 2.1 Các thông số ban đầu

- Chọn loại tháp là tháp mâm xuyên lỗ Thiết bị hoạt động liên tục

- Khi chưng luyện hỗn hợp benzen-toluen thì cấu tử dễ bay hơi là benzen

GF, F: suất lượng nhập liệu tính theo kg/h, kmol/h

GP, P: suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo kg/h, kmol/h

GW, W: suất lượng sản phẩm đáy tính theo kg/h, kmol/h

L : suất lượng dòng hoàn lưu, kmol/h

aF : nồng độ hỗn hợp đầu,% khối lượng

aP : nồng độ sản phẩm đỉnh ,% khối lượng

a :nồng độ sản phẩm đáy,% khối lượng

Nồng độ phần mol của benzen trong tháp

X F=

a F M B

106,1

102,2

98,6

95,2

92,1

89,4

86,8

84,4

2.2.1 Suất lượng mol của các dòng

- Phương trình cân bằng vật chất cho toàn tháp

GF = Gp + Gw

GF.aF = Gp.aP + Gw.aW

- Thế các giá trị vào ta được hệ phương trình sau:

Tính khối lượng mol trung bình

Nồng độ phần mol

Lưu lượng (kg/h)

Lưu lượng (kmol/h)

Hình 2: Đồ thị cân bằng pha của hệ Benzen- Toluen ở áp suất 1atm

- Với xF = 0,41ta nội suy từ đồ thị 2 được y F¿

= 0,63+ Tỉ số hoàn lưu tối thiểu

Rmin= xp− yF

yF− xF=

0 ,979−0,63 0,63−0,41 =1 ,59

[II-158]

Phương trình làm việc :

- Phương trình đường làm việc của phần chưng:

Giao điểm của đường làm việc đoạn chưng và đoạn luyện có x=xF= 0.41

Đường làm việc đoạn chưng với đường chéo gốc có x=xw=0.021 ứng với mỗi giá trị của R ta vẽ được đồ thị xác định được số đĩa lý thuyết, tính được bảng sau:

Hình 3:Phương trình đường làm việc đoạn chưng và luyện của hệ cấu tử Benzen–

Toluen với N=18

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0

Hình 4:Phương trình đường làm việc đoạn chưng và luyện của hệ cấu tử Benzen–

Toluen với N=15

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0

Hình 5:Phương trình đường làm việc đoạn chưng và luyện của hệ cấu tử Benzen–

Toluen với N=14

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0

Hình 6:Phương trình đường làm việc đoạn chưng và luyện của hệ cấu tử Benzen–

Hình 7:Phương trình đường làm việc đoạn chưng và luyện của hệ cấu tử Benzen–

Hình 8:Phương trình đường làm việc đoạn chưng và luyện của hệ cấu tử Benzen–

Toluen với N=13

1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 44

Số ngăn lý thuyết của tháp chưng là:14

Số ngăn lý thuyết đoạn luyện là:9

Số ngăn lý thuyết đoạn chưng là:5

- Phương trình đường làm việc của phần chưng:

CHƯƠNG III:CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG 3.1.Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ

t =

94,89+25

2 =59,945oCtại nhiệt độ này ta có:

=57,8205oC Tại nhiệt độ này ta nội suy các giá trị nhiệt dung riêng ở bảng I.153/171-172.[I]:

CB=1918,5576 J/kgđộ ;CT=1889,1029 J/kgđộ

Tương tự ta tính được Cp=0,975.1918,5576+(1-0,975).1889,1029=1917,821 J/kgđộ

Do đó Qp =7945.1917,821 (80,39-35)=193,17666 KW

3.5.Nhiệt lượng cung cấp cho đáy tháp:

Từ cân bằng nhiệt lượng ta có:

QT =( Qnt + QW + QD – QF ).Qf=1,05.(2957+559,525+193,17666-801,37)= 3053,75 KW

QF : là lượng nhiệt tổn thất,lấy khoảng 5% tổng lượng nhiệt có ích cấp cho đáy tháp

4.1 Đường kính tháp

Đường kính tháp được tính theo công thức:

π∗3600∗ω tb (m) (IX-89.[II])

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

tb : vận tốc hơi trung bình đi trong tháp (m/s)

vì lượng hơi và lượng lỏng thay đổi theo chiều cao tháp và khác nhau trong mỗi đoạn nên lượng hơi trung bình trong từng đoạn khác nhau và do đó đường kính đoạn chưng

và đoạn luyện của tháp có thể khác nhau

4.1 1 Đường kính phần luyện

Lưu lượng hơi trung bình trong đoạn luyện : có thể xem gần đuïng bằng trung bìnhcộng lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp gđ và lượng hơi đi vào dưới cùng g1của đoạn luyện :

Được tính theo công thức sau :

g tb=g d+g1

2 (IX.91/181.[II])

gđ : lượng hơi ra khỏi tháp ở đĩa trên cùng (kg/h)

GP : lượng sản phẩm đỉnh (kg/h), GP = 7945(kg/h)

RTH : chỉ số hồi lưu, RTH = 2,36

= > gđ = 7945(2,36+1) = 26695,2 kg/h

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

Áp dụng phương trình cân bằng vật liệu, nhiệt lượng cho đĩa thứ nhất của đoạn luyện:

g1 = G1 + GP (IX.93/182.[II ])

g1y1 = G1x1 + GPxP (IX.94/182.[II])

g1r1 = gđrđ (IX.95/182.[II]) Với :

y1 : Nồng độ của cấu tử nhẹ trong pha hơi của đĩa thứ nhất đoạn luyện

x1 : hàm lượng lỏng ở đĩa thứ nhất đoạn luyện

Gd.rd=26695,2.387590,53=10346806710

Ta có: g1.y1=G1x1+GPxp=(g1-Gp).xp= > g1( y1-xF)=Gp(xp-xF) (1)

MB = 78 (kg/kmol) , MT = 92 (kg/kmol)ytb1 : Nồng độ phần mol cấu tử phán bố trong đoạn luyện

 ρ xtb : khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp lỏng trong đoạn luyện

- ρ x1 , ρ x2 : khối lượng riêng của Benzen và Toluen của pha lỏng ở nhiệt

Tìm vận tốc hơi trung bình đi trong đoạn luyện:

Vận tốc làm việc của dòng khí nhỏ hơn vận tốc đảo pha từ 10  20%

ở đáy ta chọn đệm Risiga, bằng sứ đổ lộn xộn có kích thước 30*30*3,5 (mm),

bề mặt riêng σ d = 165 (m2/m3), thể tích tự do Vđ = 0,76 (m3/m3), số đệm trong 1m3 : 25.103, khối lượng riêng xốp ρ d=570(kg /m3)

g : Gia tốc trọng trường, g = 9,81(m/s2)

ρxtb, ρytb : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha hơi (kg/m3)

μ x ,μ n : độ nhớt của pha lỏng ở nhiệt độ trung bình và của nước ở 20oC

μ n=1 , 005(Cp)=1 , 005∗10−3(Ns /m2)

 μ x: Độ nhớt của hỗn hợp lỏng trong đoạn luyện ở 87,7655oC, được

tính theo công thức sau:

d tb

(IX.91/181.[II])

gđc : lượng hơi đi vào đoạn chưng (kg/h)

Áp dụng phương trình cân bằng vật liệu

1c

g1=1 , 0346806721010

367237 ,8351 =28174 , 67518(kg /h)

Khối lượng riêng trung bình đối với pha hơi đoạn chưng :

Giống như trong đoạn luyện, khối lượng riêng đoạn chưng được tính theo công thức sau:

xB xT

  : khối lượng riêng của Benzen và của Toluen ở nhiệt độ

trung bình của đoạn chưng 102,745oC

Tính vận tốc hơi trung bình trong đoạn chưng:

Tương tự trong đoạn luyện ta có : ’tb = 0,8.,

S

* 005 , 1 ) (

4.2.Chiều cao tháp chưng luyện:

Chiều cao tháp chưng luyện được tính theo công thức IX-50/168.[II]

H = Nl htđ + H (m)

H : chiều cao của nắp và đáy tháp ở đáy tháp làm việc ở áp suất thường nên H = 0,8m

(Nắp và đáy tháp có dạng hình elip)

Nl : (Số bậc thay đổi Nồng độ lý thuyết)

htđ : chiều cao tương đương của bậc thay đổi Nồng độ, được tính theo công thức sau:

h td=0 ,01842∗8,4∗(6099 , 636 ) 0,2

(6099 ,636 21541 , 082)0 ,342(795 , 205 2 , 7953)0 , 19(1 , 0211.10 2, 82 10−4−3)0 ,038lg

21541, 082 1,8 6099 ,636

 Chọn đường kính ống hơi dh = 47 (mm) = 0,047 (m)

 Số chóp phân bố trên đĩa N= 0,1∗D2

d h2 =

0,1∗1,42

0,0472 =89 (chóp)( D là đường kính trong của tháp)

 Chiều cao chóp trên ống dẫn hơi