thiết kế tháp mâm xuyên lỗ chưng cất hỗn hợp Benzen Toluen

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 có đóng góp vô cùng to lớn đó là ngành công nghiệp hoá học, đặc biệt là ngành sản xuất các hoá chất cơ bản. Hiện nay, các ngành công nghiệp cần sử dụng rất nhiều hoá chất có độ tinh khiết cao. Nhu cầu này đặt ra cho các nhà sản xuất hoá chất sử dụng nhiều phương pháp để nâng cao độ tinh khiết của sản phẩm như : trích ly, chưng cất, cô đặc, hấp thu … Tuỳ theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có sự lựa chọn phương pháp cho phù hợp. Đối với hệ benzen – toluen là hệ 2 cấu tử tan lẫn vào nhau, ta chọn phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho benzen. Đồ án môn học Quá trình Thiết bị là một môn học mang tính tổng hợp trong quá trình học tập của các kỹ sư Công nghệ Hoá học tương lai. Môn học này giúp sinh viên có thể tính toán cụ thể : quy trình công nghệ, kết cấu, giá thành của một thiết bị trong sản xuất hoá chất thực phẩm. Đây là lần đầu tiên sinh viên được vận dụng các kiến thức đã học để giải quyết các vấn đề kỹ thuật thực tế một cách tổng hợp. Nhiệm vụ của đồ án là thiết kế tháp mâm xuyên lỗ để chưng cất hỗn hợp Benzen – Toluen ở áp suất thưởng với năng suất nhập liệu là 2000 líth có nổng độ 30% mol benzen, nồng độ sản phẩm đỉnh là 98% mol benzen, tỷ lệ thu hồi là 99%, các số liệu khác tự chọn. Quy trình chưng cất có sử dụng nguyên liệu 30oC ngưng tụ hơi sản phẩm đỉnh.

LỜI MỞ ĐẦU

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 có đóng góp vô cùng to lớn đó là ngành công nghiệp hoá học, đặc biệt là ngành sản xuất các hoá chất cơ bản.

Hiện nay, các ngành công nghiệp cần sử dụng rất nhiều hoá chất có độ tinh khiết cao Nhu cầu này đặt ra cho các nhà sản xuất hoá chất sử dụng nhiều phương pháp để nâng cao độ tinh khiết của sản phẩm như : trích ly, chưng cất,

cô đặc, hấp thu … Tuỳ theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có sự lựa chọn phương pháp cho phù hợp Đối với hệ benzen – toluen là hệ 2 cấu tử tan lẫn vào nhau, ta chọn phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho benzen.

Đồ án môn học Quá trình & Thiết bị là một môn học mang tính tổng hợp trong quá trình học tập của các kỹ sư Công nghệ Hoá học tương lai Môn học này giúp sinh viên có thể tính toán cụ thể : quy trình công nghệ, kết cấu, giá thành của một thiết bị trong sản xuất hoá chất - thực phẩm Đây là lần đầu tiên sinh viên được vận dụng các kiến thức đã học để giải quyết các vấn đề kỹ thuật thực tế một cách tổng hợp.

Nhiệm vụ của đồ án là thiết kế tháp mâm xuyên lỗ để chưng cất hỗn hợp Benzen – Toluen ở áp suất thưởng với năng suất nhập liệu là 2000 lít/h có nổng

độ 30% mol benzen, nồng độ sản phẩm đỉnh là 98% mol benzen, tỷ lệ thu hồi là 99%, các số liệu khác tự chọn Quy trình chưng cất có sử dụng nguyên liệu 30oC ngưng tụ hơi sản phẩm đỉnh.

MỤC LỤC

Lời mở đầu 1

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN 4

I.Lý thuyết về chưng cất 4

1 Khái niệm 4

2 Phương pháp chưng cất 4

3 Thiết bị chưng cất 4

II.Giới thiệu sơ bộ về nguyên liệu 5

1 Benzen & Toluen 5

2 Hỗn hợp benzen - toluen 6

CHƯƠNG 2 : QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 7

CHƯƠNG 3 : CÂN BẰNG VẬT CHẤT 9

I. Các thông số ban đầu 9

II. Xác định suất lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy thu được 9

III Xác định tỉ số hoàn lưu làm việc 11

IV Xác định phương trình đường làm việc – Số mâm lý thuyết 12

V Xác định số mâm thực tế 14

CHƯƠNG 4 : TÍNH TOÁN THÁP CHƯNG CẤT 16

CHƯƠNG 5 : TÍNH TOÁN THIẾT BỊ NGƯNG TỤ SỐ 1 20

I Cân bằng nhiệt lượng cho toàn tháp chưng cất … 20

II. Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh số 1 21

1 Nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ 21

2 Xác định bề mặt truyền nhiệt 21

III Tính toán cơ khí 25

1 Bề dày thân 25

2 Nắp 25 3 Bích ghép thân và nắp 26

4 Đường kính các ống dẫn – Bích ghép các ống dẫn 27

5 Tính vỉ ống 31

6 Chân đỡ 31

CHƯƠNG 6 : TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ 33

I Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh số 2… 33

II. Thiết bị đun sôi đáy tháp 36

III Thiết bị làm nguôïi sản phẩm đỉnh 39

IV Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy 43

V Bồn cao vị .46

VI Bơm .50

CHƯƠNG 7 : TÍNH KINH TẾ 53

Kết luận… ……… 53

Tài liệu tham khảo 54

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

- Chưng cất và cô đặc khá giống nhau, tuy nhiên sự khác nhau căn bản nhất của 2quá 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 thìchỉ 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 đượcbấy 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 đỉnh 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

 Cấp nhiệt gián tiếp

Vậy : Đối với hệ Benzen – Toluen, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục, tận dụng

nhiệt lượng toả ra từ thiết bị ngưng tụ để đun nóng dòng nhập liệu ở áp suất thường

3 Thiết bị chưng cất :

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

và tháp chêm

 Tháp mâm : thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có cấu tạokhác nhau, trên đó pha lỏng và pha hơi đượ 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, …

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

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

So sánh ưu nhược điểm của các loại tháp :

Tháp chêm Tháp mâm xuyên lỗ Tháp chóp

- Do có hiệu ứng thành  khi tăngnăng suất thì hiệu ứng thành tăng

 khó tăng năng suất

Vậy : ta sử dụng tháp mâm xuyên lỗ để chưng cất hệ Benzen – Toluen.

II GIỚI THIỆU VỀ NGUYÊN LIỆU :

1 Benzen & Toluen :

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

phận tử là C6H6 Benzen không phân cực,vì vậy tan tốt trong các dung môi hữu cơ không phâncực 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

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 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

Các phương thức điều chế :

o Đi từ nguồn thiên nhiên

Thông thường các hidrocacbon 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…

o Đóng vòng và dehiro hóa ankane

o Các ankane có thể tham gia đóng vòng và dehidro hóa tạo thành hidro cacbon thơm ở nhiệt độ cao và có mặt xúc tác như Cr2O3, hay các lim loại chuyển tiếp như Pd, Pt

CH3(CH2)4CH3  Cr2O 3 /Al2 O3 

o Dehidro hóa các cycloankane

Các cycloankane có thể bị dehidro hóa ở nhiệt độ cao với sự có mặt của các xúc tác

kim loại chuyển tiếp tạo thành benzen hay các dẫn xuất cảu benzen

Chương 2 :

QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

Hỗn hợp Benzen – Toluen có nồng độ benzen là 30% (phần mol), nhiệt độ nguyên liệulúc đầu là 300C tại bình chứa nguyên liệu (1), được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3) Dòngnhập liệu được đưa qua trao đổi nhiệt với thiết bị ngưng tụ hơi sản phẩm đỉnh số 1 (5) Sau đóhỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất (8) ở đĩa nhập liệu và bắt đầu quá trình chưng cất Lưulượng dòng nhập liệu được kiểm soát qua lưu lượng kế (4)

Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn luyện của tháp chảyxuống Trong tháp, hơi đi dưới lên gặp lỏng đi từ trên xuống Ở đây có sự tiếp xúc và trao đổigiữa hai pha với nhau Pha lỏng chuyển động trong phần chưng càng xuống phía dưới cànggiảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi tạo nên từ nồi đun (11) lôi cuốn cấu tữ dễbay hơi Nhiệt độ càng lên trên càng thấp, nên khi hơi đi qua các đĩa từ dưới lên thì cấu tử cónhiệt độ sôi cao là toluen sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu

tử benzen chiếm nhiều nhất (nồng độ 98% phần mol) Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ số 1(5) và thiết bị ngưng tụ số 2 (6) để được ngưng tụ hoàn toàn Một phần chất lỏng ngưng tụ điqua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (9), được làm nguội rồi được đưa qua bồn chứa sảnphẩm đỉnh (10) Phần còn lại của chất lỏng ngưng tụ được hoàn lưu về tháp ở đĩa trên cùngvới tỉ số hoàn lưu thích hợp Một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp được bốc hơi, còn lại cấu tử

có nhiệt độ sôi cao trong chất lỏng ngày càng tăng Cuối cùng ở đáy tháp ta thu được hỗn hợplỏng hầu hết là cấu tử khó bay hơi (toluen) Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độ benzen là 0,43%phân mol, còn lại là toluen Dung dịch lỏng ở đáy đi ra khỏi tháp vào nồi đun (11) Trong nồiđun dung dịch lỏng một phần sẽ bốc hơi cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần cònlại ra khỏi nồi đun được cho qua thiết bị làm nguội sản phẩm đáy (12) rồi đi vào bồn chứa sảnphẩm đáy

Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là benzen, sản phẩm đáy là toluen

9 12 14

6 8

4

10 11

SVTH GVHD CNBM

Chức năng Họ tên Chữ ký

Tỉ lệ : Bản vẽ số: Ngày HT : Ngày BV:

STT ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT SL VẬT LIỆU

Trường Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh Khoa Công nghệ Hoá học Bộ môn Máy và Thiết bị

Đồ án môn học : Quá trình & Thiết bị

THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT HỖN HỢP BENZEN - TOLUEN LOẠI MÂM XUYÊN LỖ - NĂNG SUẤT NHẬP LIỆU : 2000 l/h QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

/01/09 01/01/09 Phan Nguyễn Qu ? nh Anh

Vũ Bá Minh

TÊN GỌI Bồn chứa nguyên liệu Bơm Bồn cao vị Lưu lượng kế Thiết bị ngưng tụ 1 Bộ phận chỉnh dòng Tháp chưng cất Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh Bồn chứa sản phẩm đỉnh Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy Bồn chứa sản phẩm đáy Bẫy hơi Nhiệt kế

Þ340 ; L = 2

1 1 1 1 1 1 1 5

X18H10T X18H10T

Nước ngưng

T

T T

1

2

3

6 5

Nu ? c làm l?nh t° = 27°C t° = 43°C

Nu? c làm l?nh t° = 28°C

t° = 40°C

9

X18H10T

Nu ? c làm l?nh t° = 30°C

Nu ?c t° = 40°C

T 4

P 16

Chương 3 :

CÂN BẰNG VẬT CHẤT

I CÁC THƠNG SỐ BAN ĐẦU :

Chọn loại tháp là tháp mâm xuyên lỗ

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

)/(78:

3 5 6

6 6

mol g M

CH H C Toluen

mol g M

H C Benzen

T B

 Năng suất nhập liệu : F = 2000 (lít/h)

 Nồng độ nhập liệu : xF = 0,3 (kmol benzen/ kmol hỗn hợp)

 Nồng độ sản phẩm đỉnh : xD = 0,98 (kmol benzen/ kmol hỗn hợp)

 Tỉ lệ thu hồi : 0,99

F

D

Fx Dx

 Nhiệt độ nhập liệu: t’FV = 30oC

 Chọn:

 Nhiệt độ nhập liệu: tFV = 76oC

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

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

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

 Trạng thái nhập liệu là trạng thái lỏng chưa sôi

 Các ký hiệu:

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

 D, D: suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo kg/h, kmol/h

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

 xi, xi : nồng độ phần mol, phần khối lượng của cấu tử i

II XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG SẢN PHẨM ĐỈNH VÀ SẢN PHẨM ĐÁY THU ĐƯỢC :

2665,092)

3,01(78.3,0

78.3,0)

F

B F

M x x

98,01(78.98,0

78.98,0)

D

B D D

M x M

x

M x x

Ở 300C : B 868,25kg/m3

39,

F F

x x

F D x W x x

F

W D F

.

1717 kg h

F  D 464 086 (kg/h) W 1253 , 474 (kg/h)

) / ( 56 ,



F

III XÁC ĐỊNH CHỈ SỐ HỒI LƯU THÍCH HỢP :

* Chỉ số hồi lưu tối thiểu :

Tỉ số hoàn lưu tối thiểu là chế độ làm việc mà tại đó ứng với số mâm lý thuyếtlà vô cực Do đó, chi phí cố định là vô cực nhưng chi phí điều hành (nhiên liệu,nước và bơm…) là tối thiểu

Hình 1: Đồ thị cân bằng pha của hệ Benzen – Toluen

Dựa vào hình 1  yF* = 0,51

Tỉ số hoàn lưu tối thiểu : * 00,98,51 00,,513

* min

F D

x y

y x

Tỉ số hoàn lưu làm việc : R = 1,3Rmin + 0,3 = 3,21

IV PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LÀM VIỆC - SỐ MÂM LÝ THUYẾT:

1 Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất :

= 3,321,211 3,021,981

 x

= 0,7625.x + 0,2328

2 Phương trình đường nhập liệu :

Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ :

D.r D(R 1 ) F c F(t F  t0) G H2O c H2O( 40  30 ) (*)

Thiết bị ngưng tụ số 1 có hơi đi phía ngoài, nguyên liệu đi trong ống

Thiết bị ngưng tụ số 2 có hơi đi phía ngoài, nước đi phía trong ống có tđầu = 300C,

tcuối = 400C

 Xác định ẩn nhiệt hoá hơi rD :

Tra giản đồ T_x,y  tD = 80,50C

benzen

D 93,9125 /

kg kcal r

toluen

D 90,34 /

kg J kg

kcal x

r x r

r D  D benzen D D toluen( 1  D)  93 , 83 /  392847 , 44 /

 Chọn nhiệt độ ra của dòng nhập liệu (nhiệt độ vào tháp chưng cất) :

tF = 760C

tF sôi = 98,50C  tF < tF sôi : Nhập liệu ở trạng thái lỏng chưa sôi

cToluen = 1854,37 J/kg.độ

44 , 1863 )

2

30 40

Ta có phương trình làm việc của đoạn cất : y = 0,7625 x + 0,2328

Thế xL=0,64 vào phương trình trên, ta có : yL = 0,7208

-Nhiệt độ trung bình của pha lỏng phần luyện : tLL = 88,2 0C

- Nhiệt độ trung bình của pha hơi phần luyện : tGL = 92 0C

1 (

32943

,11303

F G

h h

h h q

 Phương trình đường nhập liệu :

74 , 6 46 , 23 1

q

3 Số mâm lý thuyết :

Đồ thị xác định số mâm lý thuyết :

Từ đồ thị, ta có : 17 mâm bao gồm : 7 mâm cất

1 mâm nhập liệu

9 mâm chưng (8 mâm chưng + 1 nồi đun)

1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1

Tóm lại, số mâm lý thuyết là Nlt = 17 mâm.

V XÁC ĐỊNH SỐ MÂM THỰC TẾ:

Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình :

tb

lt tt

Ntt : số mâm thực tế

Nlt : số mâm lý thuyết

 Xác định hiệu suất trung bình của tháp  tb :

+ Độ bay tương đối của cấu tử dễ bay hơi :

x

x 1 y 1

Với : x : phân mol của rượu trong pha lỏng

y* : phân mol của rượu trong pha hơi cân bằng với pha lỏng

* Tại vị trí nhập liệu :

xF = 0,3 ta tra đồ thị cân bằng của hệ : y*

F = 0,51

tF = 76 oC+

3,0

3,01.51,01

51,0x

x1y1

yα

F

F

*

* F

2

3 / 10 329 ,

323 ,

Toluen  



Toluen F

Benzen F

Tra hình IX.11, trang 171, [6] : F  0 , 52

* Tại vị trí mâm đáy :

xW = 0,0043 ta tra đồ thị cân bằng của hệ : y*

W = 0,03

tW = 110,2 oC+

0043,0

0043,01.03,01

03,0x

x1.y1

yα

W

W

*

* W

2

3 / 10 271 ,

Benzen W

* Tại vị trí mâm đỉnh :

xD = 0,98 ta tra đồ thị cân bằng của hệ : y*

D = 0,99

tD = 80,5 oC+

98,0

98,01.99,01

99,0x

x1y1

yα

D

D

*

* D

2

3 / 10 315 ,

313 ,

Benzen D

Tra hình IX.11, trang 171, [6] : D  0 , 56

Suy ra: hiệu suất trung bình của tháp :

3

56,041,052,0

17



tt

Vậy chọn Ntt = 34 mâm , gồm : 14 mâm cất

1 mâm nhập liệu

19 mâm chưng

Chương 4 :

TÍNH TOÁN THÁP CHƯNG CẤT

* Đường kính tháp chưng cất (D t ) :

tb y y tb

g

) ω ( 0188 , 0 ω 3600.

π

4V D

tb

tb t





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

tb :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, đườngkính đoạn chưng và đoạn cất cũng khác nhau

1 Đường kính đoạn cất :

a Lượng hơi trung bình đi trong tháp :

2

1

g g

tb



gd : lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp kg/h

g1 : lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn cất kg/h

 Xác định g d : gd = D.(R+1) =5,93.(3,21+1) = 24,9653 kmol/h

= 1954,28 kg/h (Vì MhD =78.yD+(1-yD).92 = 78,28 kg/kmol

 Xác định g 1 : Từ hệ phương trình :

D

r g r

g

x D x

G y

g

D G

g

.

.

.

1 1

1 1 1

1

1 1

(IV.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 = tFs = 98,5oC , tra bảng I.212, trang 254, [5] ta có :

Ẩn nhiệt hoá hơi của Benzen : rB1 = 90,7625 kcal/kg

Ẩn nhiệt hoá hơi của Toluen : rT1 = 88,18 kcal/kg Suy ra : r1 = rB1.y1 .78+ (1-y1).rT1.92 = 7079,475y1 + 8112,56 - 8112,56y1

 r1 = 8112,56 – 1033,085y1 kcal/kmol

* Tính rd : tD = 80,5oC , tra bảng I.212, trang 254, [5] ta có :

Ẩn nhiệt hoá hơi của Benzen : rBd = 94 kcal/kg

Ẩn nhiệt hoá hơi của Toluen : rTd = 90,4 kcal/kg Suy ra : rD = rBd.yD .78+ (1-yD).rTd.92 = 7332yD + 8316.8 - 8316,8yD

 rD = 8316,8 – 984,8yD = 7344,8971 kcal/kmol

* x1 = xF = 0,3Giải hệ (IV.1) , ta được : G1 = 18,12 kmol/h

y1 = 0,468 (phân mol benzen) _ M1 =85,448

g1 = 2055,37 kg/h

2

37 , 2055 28

, 1954





kg/h

b 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 :

ytb

xtb gh





  0 , 05

Với : xtb : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng kg/m3

ytb : khối lượng riêng trung bình của pha hơi kg/m3

273 92 1 78

ytb

t

y y

= 0,724+ Nhiệt độ trung bình đoạn cất : ttb =

2

t 

=98,5280,5 = 89,5 oCSuy ra : ytb =2,752 kg/m3

tb tb

tb tb

x x

x x

804kg m

benzen 



3 /

tb xtb

x x

854 , 0 8 , 0

8 ,

g tb n

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 = 2055,37 kg/h

 Xác định g’ 1 : Từ hệ phương trình :

1

1 ' 1

1 '

1 ' 1

'

'

' '

'

.

'

r g r

g r

g

x W y

g x

G

W g

G

n n

t’1 = tW = 110,2 oC, tra bảng I.212, trang 254, [5], ta có :

Ẩn nhiệt hoá hơi của Benzen : r’B1 = 88,525 kcal/kg

Ẩn nhiệt hoá hơi của Toluen : r’T1 = 86,525 kcal/kg

 r’1 = r’R1.yW + (1-yW).r’N1 =33187,7 kJ/kmol = 362,39 kcal/kmol

* Tính r1 : r1 = 8112,56 – 1033,085y1 = 8112,56 – 1033,085.0,468

= 7629,08 kcal/kmol = 31933,79 kJ/kmol

* W = 13,63 kmol/hGiải hệ (IV.2) , ta được : x’1 = 0,024 (phân mol etanol) _ MtbG’ = 91,71

G’

1 = 36,7007 kmol/h g’1 = 23,053 kmol/h = 2114,3kg/h

2

3 , 2114 37

, 2055





kg/h

b 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 :

ytb

xtb gh

'

' 05 , 0 '





Với : 'xtb : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng kg/m3

'ytb : khối lượng riêng trung bình của pha hơi kg/m3

273 92 ' 1 78 ' '

ytb

t

y y

= 0,249+ Nhiệt độ trung bình đoạn chưng : t’tb =

tb tb

tb tb

x x

x x



tb benzen

tb xtb

x x

'

' 1 '

' '

822 , 0 8 , 0 ' 8 , 0 'h  gh

Vậy :đường kính đoạn cất :

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 = 0,65 (m)

Khi đó tốc độ làm việc thực ở :+ Phần cất : lv =0,0188. . 0,01880,652..20042,752,852 0,609

2 2

2





ytb t

835,2084.0188,0'

'.0188,0

2

2 2

2





ytb t

TÍNH TOÁN THIẾT BỊ NGƯNG TỤ

 Đây là thiết bị ngưng tụ trao đổi nhiệt với nhập liệu (Thiết bị ngưng tụ số 1)

I CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG CHO TOÀN THÁP CHƯNG CẤT:

m W D L Đ

' 76 : nhiệt độ đi vào của hỗn hợp đầu ( ở trạng thái lỏng chưa sôi )

cToluen = 1956,072 J/kg.độ

77 , 1966 )

Dùng hơi nước ở áp suất 2.5 at , r2 = 2189.5 kJ/kg, to= 126.25 oC

Đ : (hàm nhiệt) nhiệt lượng riêng của hơi đốt ( J/Kg)

rĐ : ẩn nhiệt hóa hơi ( J/Kg)

tĐ , CĐ : nhiệt độ oC và nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/Kg.độ)

 Nhiệt lượng do lưu lượng lỏng hồi lưu mang vào :

nt L

Với y D = 0,99 (phần khối lượng )

tD = 80,5 oC : Xác định rD (ẩn nhiệt hoá hơi của sản phẩm đỉnh):

Ẩn nhiệt hoá hơi của Benzen : rBd = 94 kcal/kg = 393559,2 J/kg

Ẩn nhiệt hoá hơi của Toluen : rTd = 90,4 kcal/kg = 378486,72 J/kg

=>Benzen = rBenzen + cBenzen.tD = 545576,205 J/kg

Toluen = rToluen + cToluen.tD = 527763,505 J/kg

=> D = 545398,078 J/kg

=> QD = 464,086 (1 + 3,21).545398,078 = 1065599888 J/h

 Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra Q w :

Q Q Q Q r

Q Q Q Q Q

/06,412

95,

2

+ Nhiệt độ nguyên liệu ban đầu: t’F = 30oC

Chọn : + Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội: t’D = 35oC

II

THIẾT BỊ NGƯNG TỤ SẢN PHẨM ĐỈNH SỐ 1 :

Chọn thiết bị ngưng tụ vỏ – ống loại TH đặt nằm ngang

Ống truyền nhiệt được làm bằng thép X18H10T, kích thước ống: 20x2, chiều dàiống là L = 2 m

Chọn nguyên liệu đi trong ống với nhiệt độ đầu : t1 = 30oC,

nhiệt độ cuối: t2 = 76oC

Các tính chất lý học của nguyên liệu được tra tài liệu [5] ứng với nhiệt độ trung

+ Khối lượng riêng : F = 835,83 kg/m3.+ Độ nhớt động lực : F = 0,4129.10-3 N.s/m2.+ Hệ số dẫn nhiệt : F = 0,1447 W/m.K

1 Nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ số 1:

s J h

J t

t c F

Q nt1  F.( 2 1)  1717 , 56 1863 , 44 ( 76  30 )  147226220 3 /  40896 , 15 /

2 Xác định bề mặt truyền nhiệt :

Bề mặt truyền nhiệt được xác định theo phương trình truyền nhiệt:

Ftb1 =

1 log 1

1

t K

Q nt

 ,(m2) (V.2)

Với: + K1 : hệ số truyền nhiệt

+ tlog1 : nhiệt độ trung bình logarit

 Xác định t log :

Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên:

025 , 19 30

5 , 80 ln

) 76 5 , 80 ( ) 30 5 , 80 (

 Xác định hệ số truyền nhiệt K:

Hệ số truyền nhiệt K được tính theo công thức:

D

t F

Với: + F : hệ số cấp nhiệt của nguyên liệu trong ống (W/m2.K)

+ D : hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ (W/m2.K)

+ rt : nhiệt trở của thành ống và lớp cáu

* Xác định hệ số cấp nhiệt của nguyên liệu trong ống:

Chọn vận tốc nguyên liệu đi trong ống: vF = 0,32 m/s

Số ống trong một chặng :

10

~ 32 , 0 016 , 0

4

83 , 835

5 , 0

F

v d

G

Chuẩn số Reynolds :

35 , 10363 10

4129 , 0

83 , 835 016 , 0 32 , 0

F

F tr F F

d v

, 0 8 , 0

)Pr

Pr.(

PrRe 021,0

w

F F

F l F

+ PrF : chuẩn số Prandlt của nguyên liệu ở 53oC, nên PrF = 5,32

+ Prw : chuẩn số Prandlt của nước ở nhiệt độ trung bình của vách

Pr

67,106

w F

,0.Pr

1447,0.67,106

W W

tr

F F

Pr

7,964)

W tbF

w F

Với tw2 : nhiệt độ của vách tiếp xúc với nguyên liệu (trong ống)

* Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu:

t

w w t

r

t t q

Hệ số dẫn nhiệt của thép không gỉ: t = 17,5 (W/m.K).

Nhiệt trở trung bình của lớp bẩn trong ống với nguyên liệu:

4

1

2 3

)5,80()

.(

725,0

w ng

w D D

D D D D

t

A d

t t

725,0

ng D

D D D

Ẩn nhiệt ngưng tụ: rD = 392847,44 J/kg

Nhiệt tải ngoài thành ống:

7,735,802

Khi đó: A = 2485,156Từ (V.6): qD = 2485,156 (80,5-73,7)0,75 = 10465,597 W/m2.Xem nhiệt tải mất mát là không đáng kể: qt = qD =10465,597 W/m2.Từ (V.5), ta có: tw2 = tw1 - 2178q t,11

+ Nhiệt dung riêng : cF = 1945,64 J/kg.độ

49 , 4 1467

, 0

10 338 , 0 64 , 1945

7 , 964 )

54 , 10538 596

q

q q

= 0,69% < 5% : thoả

Vậy: t = 73,7 oC và t = 68,895 oC

Khi đó: 663

49 , 4

7 , 964 25 ,

7 , 73 5 , 80 (

156 , 2485

25 ,

1 663

1 , 40859

896 , 5







Tra hình V.20, trang 30, [6]  hệ số phụ thuộc vào cách bố trí ống và số ống trong

mỗi dãy thẳng đứng là tb = 0,7

 Hệ số cấp nhiệt trung bình của chùm ống: ngưng = tbD = 0,7D

Tính lại hệ số truyền nhiệt K từ CT(V.3), ta có: K = 345,4 W/m2.oC

Suy ra: bề mặt trung bình: F tb 34540859,4.19,,0251 = 5,9 m2

Khi đó: chiều dài ống truyền nhiệt:

2

016 , 0 02 , 0 10

9 , 5



L

L

(đường nước)

Số ống truyền nhiệt: n = 6.10 = 60 (ống) Ống được bố trí theo hình lục giác đều

Số ống trên đường chéo: b = 8 (ống)

 Bước ống: t = 1,5.dn = 0,03 (m)

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

 Đường kính trong của thiết bị : D = t.(b - 1) + dn + 2.(t - dn)  0,34 (m)

34 , 0

(thoả vì nằm gần trong giới hạn cho phép (48) )

Vậy : Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh là thiết bị truyền nhiệt vỏ – ống gồm n = 60 (ống),

dài L = 2 (m)

III TÍNH TOÁN CƠ KHÍ :

1 Bề dày thân :

Vì thiết bị hoạt động ở áp suất thường nên ta thiết kế thân hình trụ bằng phương pháphàn hồ quang điện, kiểu hàn giáp mối 2 phía Để đảm bảo chất lượng của sản phẩm vàkhả năng ăn mòn của benzen đối với thiết bị, ta chọn thiết bị thân thiết bị là thép không gỉmã X18H10T

 Các thông số cần tra và chọn phục vụ cho quá trình tính toán :

 Nhiệt độ tính toán : t = tmax = 80,5 oC

 Áp suất tính toán :

Vì tháp hoạt động ở áp suất thường không có áp suất dư và có dung tích

3 2

2

182 , 0 4

2 34 , 0 4

.

m L

D

10, [7]).

 Bề dày thân thiết bị : vì thiết bị hoạt động ở điều kiện không có áp suất dư nên bề

dày có thể chọn theo kinh nghiệm : D < 400mm nên Smin = 2 mm

 Hệ số bổ sung do ăn mòn hóa học của môi trường :

Ca = 2 mm

 Ứng suất cho phép tiêu chuẩn :

Vì vật liệu là X18H10T  []* = 144 (N/mm2) (Hình 1.1, trang 15, [7])

 Hệ số hiệu chỉnh :  = 1 (trang 17, [7])

 Ứng suất cho phép : [] =  []* = 144 (N/mm2)

 Hệ số bền mối hàn :

Vì sử dụng phương pháp hàn hồ quang điện, kiểu hàn giáp mối 2 phía

 h = 0,95 (Bảng XIII.8, trang 362, [6])

 Tính bề dày :

S = S’ + Ca = 2 + 2 = 4 mm

Bề dày tối thiểu: Smin = 2 (mm) (Bảng 5.1, trang 128, [7])

 Bề dày S thỏa điều kiện

 Kiểm tra độ bền :

340

2 4





 0,0059  0,1 (thỏa)Nên: [ ] 2[ ] (( )) 2 1443400,(954 2(4) 2)

a h

C S D

C S

Kết luận: S = 4 mm

2 Nắp :

Chọn đáy và nắp có dạng hình ellip tiêu chuẩn, có gờ, làm bằng thép X18H10T

Chọn bề dày đáy và nắp bằng với bề dày thân thiết bị : S = 4 mm

Kiểm tra điều kiện:

S R

C S P

D

C S

a t

a h

t a

) (

) (

] [ 2 ] [

125 , 0





 Điều kiện trên được thỏa như đã kiểm tra ở phần thân thiết bị.

Kết luận: Kích thước của đáy và nắp:

 Đường kính trong: Dt = 340 mm

 ht = 85 mm

 Chiều cao gờ: hgờ = 20 mm

 Bề dày: S = 4 (mm)

3 Bích ghép thân và nắp :

Mặt bích là bộ phận quan trọng dùng để nối các phần của thiết bị cũng như nối các bộphận 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 này chủ yếu

dùng thiết bị làm việc với áp suất thấp và áp suất trung bình

 Bích tự do : chủ yếu dùng nối ống dẫn làm việc ở nhiệt độ cao, để nối các bộ bằng

kim loại màu và hợp kim của chúng, đặc biệt là khi cần làm mặt bích bằng vật liệubền hơn thiết bị

 Bích ren : chủ yếu dùng cho thiết bị làm việc ở áp suất cao

Chọn bích được ghép thân, đáy và nắp làm bằng thép CT3, cấu tạo của bích là bíchphẳng hàn

Với Dt = 340 (mm) và áp suất tính toán P = 0,01 N/mm2  chọn bích có các thông số sau:

 Số mặt bích cần dùng để ghép là: 2 (bích)

Độ kín của mối ghép bích chủ yếu do vật đệm quyết định Đệm làm bằng các vật liệumềm hơn so với vật liệu bích Khi xiết bu lông, đệm bị biến dạng và điền đầy lên các chỗgồ ghề trên bề mặt của bích Vậy, để đảm bảo độ kín cho thiết bị ta chọn đệm là dâyamiăng, có bề dày là 3(mm)