Đồ án thiết kế thiết bị tháp chưng cất

Quá trình này được thực hiện bằng các biện pháp khácnhau nhằm tách các thành phần theo nhiệt độ sôi của các cấu tử có tronh hỗn hợp màkhông làm phân huỷ chúng.. Chưng là phương pháp dùng

MỤC LỤC: ………

Lời nói đầu: ………

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CHƯNG CẤT 1.1 Cơ sỏ lý thuyết củ quá trình chưng cất:………

1.2 Lựa chọn phương pháp làm việc:………

1.2.1 Chưng đơn giản:………

1.2.1 Chưng cất phức tạp ………

1.2.3 Chưng chân không: ………

1.3 Giới thiệu các loại tháp chưng cất: ………

1.4 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của tháp đĩa hình chóp: ………

1.4.1 Cấu tạo: ………

1.4.2 Nguyên tắc hoạt động: ………

1.5 Quá trìng làm việc: ………

1.6 Sản phẩm của quá trình chưng cất………

1.6.1 Tính chất lí hóa của benzene: ………

1.6.1.1 Tính chất vật lí của benzen: ………

1.6.1.2 Tính chất hóa học của benzen: ………

1.6.1.3 Điều chế và ứng dụng: ………

1.6.2 Tính chất lí hóa của toluen: ………

1.6.2.1 Tính chất vật lí của toluen: ………

1.6.2.2 Tính chất hóa học của toluen:………

1.6.2.3 Điều chế và ứng dụng: ………

CHƯƠNG 2: TÍNH CÔNG NGHỆ………

2.1 Lưu lượng hỗn hợp đầu và sản phẩm đáy: ………

2.2 Xác định số đĩa của tháp:……… … ………

2.2.1 Đường cong cân bằng - đồ thị t-x-y theo thực nghiệm: ………

2.2.2 Phương trình đường nồng độ làm việc: ………

2.2.3 Xác định số đĩa thực tế:………

2.3 Tính đường kính thiết bị: ……… ………

2.3.1 Đường kính đoạn luyện: ……… ………

2.3.1.1 Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện: ………

2.3.1.2 Tốc độ hơi trung bình đi trong đoạn luyện: ………

2.3.2 Đường kính đoạn chưng: ……… ……….

2.3.2.1 Lương hơi trung bình trong đoạn chưng: 2.3.2.2 Tốc độ hơi trung bình trong đoạn chưng: ………

2.4 Cân bằng nhiệt lượng: ……… ………

2.4.1 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu: 2.4.1.1 Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào QD1: 2.4.1.2 Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào thiết bị đun sôi ở hỗn hợp đầu Qf: ……… ………

2.4.1.3 Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra khỏi thiết bị đun sôi QF: ……

2.4.1.4 Nhiệt lượng tổn hao ra môi trường xung quanh Qm: ………

2.4.1.5 Lượng hơi đốt cần dùng đễ đun sôi hỗn hợp đầu: ………

2.4.2 Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện: ………

2.4.2.1 Lượng nhiệt do lượng lỏng hồi lưu mang vào tháp QR: ………

2.4.2.2 Nhiệt lượng do sản phẩm đ áy mang ra Qw: ………

2.4.2.3 Nhiệt lượng do hơi mang ra khỏi tháp chưng Qy: ………

2.4.2.4 Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào để đun sôi hỗn hợp ở đáy tháp Qm:

2.4.3 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ hồi lưu: ………

2.4.4 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh: ………

2.5 Tính kết cấu của tháp chưng luyện: ………

2.5.1 Kết cấu đĩa phần luyện: ……… ………

2.5.2 Kết cấu đĩa đoạn chưng: ……… ………

2.6 Tính cơ khí thiết bị chính: ……… ………

2.6.1 Tính thân thiết bị chính: ……… ………

2.6.1.1 Xác định   : ……… ………

2.6.1.2 Tính P: ……… ………

2.6.1.3 Tính C: ……… ………

2.6.1.4 Kiểm tra ứng suất theo áp suát thử: ………

2.6.2 Tính đáy và nắp thiết bị: ……… ………

2.6.3 Tính bề dày lớp cách nhiệt: ……… ……

2.6.4 Tính đường kính các loại ống dẫn: ………

2.6.4.1 Đường kính ống dẫn hỗn hợp đầu vào đĩa tiếp liệu: ………

2.6.4.2 Đường kính ống dẫn từ thiết bị ngưng tụ hồi lưu về tháp: …………

2.6.4.3 Đường kính ống dẫn hơi ra khỏi đỉnh tháp: ………

2.6.4.4 Đường kính ống dẫn sản phẩm đáy: ………

2.6.4.5 Đường kính ống dẫn hơi nước bão hòa vào đáy tháp để đun sôi lại: … 2.6.4.6 Đường kính ống dẫn nước ngưng: ………

2.6.5 Chọn mặt bích: ……… ………

2.6.5.1 Bích để nối thân thiết bị, nắp và đáy: ………

2.6.5.2 Bích để nối ống dẫn với thiết bị: ………

2.6.6 Tính tải trọng của tháp: ……… ………

2.6.6.1 Khối lượng của thân tháp: ………

2.6.6.2 Khối lượng của đáy và nắp elip có gờ: ………

2.6.6.3 Khối lượng của chất lỏng trong tháp: ………

2.6.6.4 khối lượng của các đĩa: ………

2.6.6.5 Khối lượng lớp cách nhiệt: ………

2.6.6.6 Khối lượng của bích: ………

2.6.7 Chọn tay treo, chân đỡ: ……… ………

2.6.7.1 Chọn tay treo: ……… ………

2.6.7.2 Chọn chân đỡ: ……… ………

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CHƯNG CẤT

1.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT:

Qúa trình chưng cất là một quá trình vật lý phân chia hỗn hợp thành các thànhphần gọi là các phân đoạn Quá trình này được thực hiện bằng các biện pháp khácnhau nhằm tách các thành phần theo nhiệt độ sôi của các cấu tử có tronh hỗn hợp màkhông làm phân huỷ chúng Hơi nhẹ bay lên, ngưng tụ thành phán lỏng tuỳ theo biệnpháp tiến hành chưng cất mà người ta phân chia quá trinh chưng cất thành chưng cấtđơn giản, chưng phức tạp, chưng cất nhờn cấu tử bay hơi, hay chưng cất trong chânkhông

Chưng là phương pháp dùng để tách các hỗn hợp chất lỏng cũng như các hỗn hợpkhí lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử tronghỗn hợp (nghĩa là ở cùng nhiệt độ, áp suất hơi của các cấu tử khác nhau ) Trongtrường hộp đơn giản nhất thì chưng hầu như không khác nhau Tuy nhiên giữa chúng

có ranh giới căn bản; trong tường hợp chưng thì dung môi và chất tan đều bay hơi Khi chưng ta thu được nhiều sản phẩm và thường bao nhiêu cấu tử ta sẽ được bấynhiêu sản phẩm Đối với trường hợp hai cấu tử ta có

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

độ bay hơi bé, còn sản phẩm đáy gồm cấu tử có độ bay hơi bé hơn và một phần rất ítcấu tử có độ bay hơi lớn

1.2 Lựa chọn phương pháp làm việc:

Trong công nghệ hoá học có nhiều phương pháp để phân riêng hỗn hợp hay nhiềucấu tử tan một phần hay tan hoàn toàn vào nhau như: hấp thụ, hấp phụ, li tâm, trích ly,chưng cất,… Mỗi phương pháp đều có những đặc thù riêng và những ưu điểm nhấtđịnh, việc lựa chọn phương pháp và thiết bị phù hợp tuỳ thuộc vào hỗn hợp ban đầu,yêu cầu sản phẩm và điều kiện kinh tế

Đối với hỗn hợp benzen – toluen là hỗn hợp 2 cấu tử tan vào nhau và có nhiệt độsôi khác nhau thì phương pháp tối ưu để tách hỗn hợp trên là chưng cất

Chưng cất là phương pháp phổ biến nhất dùng để tách hoàn toàn hỗn hợp các cấu

tử dễ bay hơi có tính chất hòa tan một phần hoặc hòa tan hoàn toàn vào nhau

Chưng cất ở áp suất thấp dùng cho các hỗn hợp dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao hây cáchỗn hợp có nhiệt độ sôi quá cao và dùng cho các hỗn hợp không hóa lỏng ở áp suấtthường

1.2.1 Chưng đơn giản:

Chưng đơn giản là quá trình chưng cất được tiến hành bằng cách bay hơi dầndần, một lần hay nhiều lần, một hỗn hợp chất lỏng cần chưng

a) Chưng bay hơi dần dần:

Sơ đồ chưng bay hơi dần dần được trình bày trên hình 3-5a, gồm thiết bịđốt nóng liên tục hỗn hợp chất lỏng trong bình chưng 1 từ nhiệt độ thấp tới nhiệt độsôi cuối khi liên tục tách hơi sản phẩm và ngưng tụ hơi bay ra trong thiết bi ngưng

tụ 3, cuối cùng thu sản phẩm lỏng trong bể chứa 4 Phương pháp chưng như vậythường được áp dụng trong phòng thí nghiệm

b) Chưng cất bằng cách bay hơi 1 lần:

Sơ đồ chưng cất yheo phương pháp này được trình bày trên hình 3-5.Phương pháp này còn được gọi là bay hơi cân bằng Hỗn hợp chất lỏng được choliên tục vào thiết bị đun sôi 2, ở đây hỗn hợp được đốt nóng đến nhiệt độ xác định

và ở áp suất P cho trước Pha lỏng-hơi được tạo thành và đạt đến trạng thái cânbằng, ở điều kiện đó lại được cho vào thiết bị phân chia 1 lần trong thiết bị đoạnnhiệt 5 Pha hơi qua thiết bị ngưng tụ 3 rồi vào bể chứa 4, từ đó ta nhận được phầncất; phía dưới thiết bị 5 là pha lỏng được tách ra liên tục và ta nhận được phầncặn Tỉ lệ giữa lượng hơi được tạo thành khi bay hơi một lần với lượng chất lỏngnguyên liệu chưng ban đầu được gọi là phần chưng cất (gọi tắt là phần chưng)

Chưng cất bay hơi một lần như vậy sẽ cho phép nhận được phần chưngcất lớn hơn so với bay hơi dần dần ở cùng một điều kiện về nhiệt độ và áp suất Ưuđiểm nổi bật này của quá trình chưng cất cho phép áp dụng trong điều kiện thực tếchưng cất hỗn hợp Tuy với nhiệt độ chưng bị giới hạn, nhưng vẫn cho phép nhậnđược một phần cất lớn hơn

c) Chưng cất bằng bay hơi nhiều lần:

Đây là quá trình gồm nhiều quá trình chưng bay hơi một lần nối tiếpnhau ở nhiệt độ tăng cao dần (hay ở áp suất thấp hơn) đối với phần cặn trên hình3-5c trình baỳ sơ đồ chưng hai lần Phần cân của chưng lần một là nguyên liệu chochưng lần hai sao khi được đốt nóng đến nhiệt độ cao hơn từ đỉnh của thiết bịchưng lần một ta nhận được sản phẩn đỉnh, còn ở đáy của thiết bị chưng lần hai tanhận được phần cặn

Phương pháp chưng cất hổn hợp bằng bay hơi một lần và bay hơi nhiềulần có ý nghĩa rất lớn trong thực tế cộng nghiệp ở các dây chuyền hoạt động liêntục Quá trình bay hơi một lần được áp dụng khi đốt nóng hỗn hợp trong thiết bịtrao đổi nhiệt, trong lò óng và tiếp theo quá trình tách pha hơi khỏi pha lỏng ở bộphận cung cấp, phân phối của tháp tinh luyện

Chưng cất đơn giản, nhất là với loại bay hơi một lần, không đạt được đọphân chia cao khi cần phân chia rỏ ràng các cấu tử thành phần của hỗn hợp chấtlỏng Để nâng cao khả năng phân chia một hỗn hợp chất lỏng, người ta phải tiếnhành chưng cất có hồi lưu hay chưng cất có tinh luyện – đó là chưng cất phức tap

1.2.2 Chưng cất phức tạp

a) Chưng cất có hồi lưu

Chưng cất có hồi lưu là quá trình chưng khi lấy một phần chất lỏngngưng tụ từ hơi tách ra cho quay lại tưới vào dòng hơi bay lên Nhờ có sự tiếp xúc

đồng đều và thêm một lần nữa pha lỏng và pha hơi mà pha hơi khi tách ra khỏi hệthống lại được làm giàu thêm cấu tử nhẹ (có nhiệt độ sôi thấp hơn) so với khikhông có hồi lưu, nhờ vậy mà có độ phân chia cao hơn Việc hồi lưu lại chất lỏngđược khống chế bằng bộ phận đặc biệt và được bố trí phía trên thiết bị chưng.

b) Chưng cất có tinh luyện:

Chưng cất có tinh luyện còn cho độ phân chia cao hơn khi kết hợp với hồilưu Cơ sở của quá trình tinh luyện là sự trao đổi chất nhiều lần về cả 2 phía giữapha lỏng và pha hơi chuyển động ngược chiều nhau Quá trình này được thực hiệntrong tháp (cột) tinh luyện Để đảm baoe sự tiếp xúc hoàn thiện hơn giữa pha hơi

và pha lỏng trong tháp được trang bi các “đĩa hay đệm” Độ phân chia một hỗn hợpcác cấu tử trong tháp phụ thuộc vào số lần tiếp xúc giữa các pha (số đĩa lý thuyết),vào lượng hồi lưu ở mỗi đĩa và hồi lưu ở đỉnh tháp

Công nghệ hiện đại chưng cất hỗn hợp dựa vào quá trình chưng cất một lần

và nhiều lần có tinh luyện Quá trình tinh luyện xảy ra trong tháp chưng cất phânđoạn có bố trí các đĩa Hình 3-6 mô tả sự hoạt động của tháp tinh luyện

1.2.3 Chưng chân không:

Dùng trong trường hợp cần hạ thấp nhiệt độ sôi của cấu tử Ví dụ như trườnghợp cấu tử trong hỗn hợp dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao hay trường hợp các cấu tử cónhiệt độ sôi quá cao

1.3 Giới thiệu các loại tháp chưng cất:

Quá trình chưng luyện được thực hiện trong thiết bị loại tháp làm việc liên tụchoặc gián đoạn Có hai loại thiết bị là tháp đệm và tháp đĩa Trong đó:

 Tháp đệm là một tháp hình trụ gồm nhiều đoạn nối với nhau bằng mặt bíchhay hàn Trong tháp người ta đổ đầy đệm, tháp đệm được ứng dụng rộng rãi trong kỹnghệ hoá học để hấp thụ chưng luyện, chưng luyện, làm lạnh

 Tháp đĩa: trong thực tế hay gặp các loại đĩa lỗ, đĩa chóp có ống chảy chuyềnhoặc không có ống chảy chuyền Tháp đĩa được ứng dụng trong kỹ nghệ hoá học.Ttrong tháp đĩa khí hay hơi phân tán qua các lớp chất lỏng chuyển động chậm từ trênxuống dưới Hai pha lỏng và hơi trong tháp đĩa thực hiện tiếp xúc nhau ở trên mỗi bậcriêng biệt So với tháp đệm, tháp đĩa vừa phức tạp (khó làm) vừa tốn kim loại hơn.Việc lựa chọn loại đĩa ngoài các yêu cầu về chưng (như cường độ chuyển khối cao, giáthành chế tạo đĩa nhỏ,…) còn phải chú ý tới một loạt các yêu cầu khác do đặc thù côngnghệ đặt ra như: khoảng làm việc ổn định của đĩa, khả năng chịu ăn mòn của đĩa cao,khả năng làm việc với chất lỏng có lẫn cặn bẩn cơ học Có 20 loại đĩa: đĩa chóp tròn,đĩa chóp chữ nhật, đĩa lỗ có ốn chảy chuyền, đĩa ventuyri,… Thông thường người tachia ra tháp đĩa có ống chảy chuyền và tháp đĩa không có ống chảy chuyền

 Tháp đĩa có ống chảy chuyền khí và lỏng chuyển động riêng biệt đối vớinhau từ đĩa này qua đĩa khác

 Trong tháp đĩa không có ống chảy chuyền khí và lỏng chuyển từ đĩa nàysang đĩa khác theo cùng một lỗ hay rãnh

1.4 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của tháp đĩa hình chóp:

1.4.1 Cấu tạo:

Gồm nhiều đĩa lắp trong một thân hình trụ, trên đĩa có lắp chóp, ở mỗi đĩa cómột số ống chảy chuyền phụ thuộc vào kích thước chóp và lưu lượng lỏng, có thể làmột ống hoặc nhiều hơn, có thể là hai bên hay chính giữa đĩa Chóp có thể tròn hay códạng khác Ở chóp có rãng để khí đi qua Rãnh có thể là hình chữ nhật, tam giác hay làtròn Hình dáng của rãng không ảnh hưởng mấy đến quá trình Chóp được lắp vào đĩabằng nhiều kiểu khác nhau

1.4.2 Nguyên tắc hoạt động:

Chất lỏng chảy từ đĩa này sang đĩa khác nhờ ống chảy chuyền Khí đi từ dướilên qua các ống khí rồi xuyên qua các rãnh của chóp và sục vào trong lớp chất lỏng ởtrên đĩa Hiệu quả của quá trình sục khí vào lỏng phụ thuộc rất nhiều vào vận tốc Nếuvận tốc khí bé thì phạm vi sục khí bé, nhưng nếu vận tốc lớn thì quá trình sục khí cũngkhông tốt vì lúc đó có thể xảy ra hiện tượng chất lỏng bị bắn thro khí, hoặc là chấtlỏng bị dạt riêng ra một vùng Hiện tượng bắn chất lỏng là do: khoảng cách giữa cácđĩa, vận tốc khí qua rãnh, khoảng cách giữa các chóp, khối lượng riêng của khí vàlỏng, cấu tạo kích thước của chóp và ống chảy chuyền

Ở đây ta sẽ thiết kế hệ thống chưng luyện tháp chóp làm việc liên tục với hỗnhợp chưng là benzen – toluen Khi chưng luyện liên tục, hỗn hợp đầu được đưa vàotháp ở đĩa tiếp liệu (nằm ở phần giữa thân tháp) một cách liên tục, sản phảm đỉnh vàsản phẩm đáy cũng được lấy ra liên tục

1.5 Quá trìng làm việc:

Hỗn hợp Benzen – Toluen là một hỗn hợp lỏng hoà tan hoàn toàn vào nhau theomọi tỉ lệ Áp suất hơi của cấu tử sẽ giảm đi và áp suất chung của hỗn hợp Nhiệt độ sôicủa hỗn hợp cũng như thành phần cấu tử trong hơi sẽ thay đổi theo thành phần cấu tửtrong dung dịch

Ta có ts benzen = 80,10C < ts toluen = 110,80C nên độ bay hơi của benzen lớnhơn độ bay hơi của toluen Vậy suy ra sản phẩm đỉnh chủ yếu là benzen và một phầnrất ít toluen, ngược lại sản phẩm đáy lại chủ yếu là toluen và một phần rất ít là benzen

 Tiến hành:

Trước hết hỗn hợp benzen – toluen từ thùng chứa được bơm vào thùng cao vịrồi dẫn xuống thiết bị đun nóng (2), ở đây dung dịch được đun nóng đến nhiệt sôi.Nguyên liệu ra khỏi thiết bị đun nóng rồi đi vào tháp chưng luyện ở vị trí đĩa tiếp liệu(1) Do đã đun nóng đến nhiệt độ sôi nên tại đây benzen thực hiện quá trình truyềnkhối từ pha lỏng sang pha hơi và tiến về đỉnh tháp Toluen là cấu tử khó bay hơi ởnhiệt độ này nó vẫn đang ở thể lỏng, qua ống chảy chuyền phân phối xuống lòng đĩa.Như vậy trong tháp hơi Benzen đi từ dưới lên gặp lỏng toluen đi từ trên xuống Vìcàng lên cao nhiệt độ càng thấp nên khi hơi benzen đi qua các đĩa từ dưới leencosmang theo một phần cấu tử toluen, cấu tử có nhiệt độ sôi cao sẽ ngưng tụ lại và cuốicùng ở trên đỉnhta thu được hỗn howpjgoomf hầu hết cấu tử benzen dễ bay hơi Hơi đó

đi vào thiết bị ngưng tụ (3) được ngưng tụ lại Một phần chất lỏng ngưng đi qua thiết

bị làm lạnh (4) đến nhiệt độ cần thiết rồi đi vào thùng chứa sản phẩm đỉnh(5) Mộtphần khác hồi lưu về tháo ở đĩa trên cùng

Tương tự quá trình dịch chuyển của toluen sẽ kéo theo một phần cấu tử benzen

và càng xuống thấp nhiệt độ của tháp càng tăng khi chất lỏng toluen đi từ trên xuốnggặp hơi benzen có nhiệt độ cao hơn, một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp được bốc hơi

và do đó nồng độ toluen khó bay hơi trong chất lỏng ngày càng tăng Cuối cùng ở đáytháp ta thu được hỗn hợp lỏng gồm hầu hết là chất lỏng toluen khó bay hơi Chất lỏng

ở đáy tháp khi ra khỉ tháp được làm lạnh rồi đưa vào thùng chứa sản phẩm (6) Để tiếtkiệm hơi đốt người ta có thể dùng hơi ở đỉnh tháp để đun nóng hỗn hợp ban đầu Dođòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao là nồng độ benzen trong sản phẩm đỉnh đạt 98%khối lượng, trong sản phẩm đáy 3% khối lượng, với năng suất lượng sản phẩm đỉnh

3500 kg/ngày, nồng độ benzen trong hỗn hợp đầu 60% khối lượng, nên đòi hỏi việctính toán số đĩa làm việc cho phù hợp dẫn dén chiều cao tháp, công suất làm việc,…

1.6 Sản phẩm của quá trình chưng cất

1.6.1 Tính chất lí hóa của benzene:

Benzen có công thức phân tử : C6H6

Công thức cấu tạo:

Phân tử lượng: 78,1121 g/mol

Benzen và ankylbenzen là những chất không màu, hầu như không tantrong nước nhưng tan trong nhiều dung môi hữu cơ, đông thời chính chúng cũng làdung môi hòa tan nhiều chất khác Chẳng hạn benzen hòa tan brom, iot, lưu huỳnh,cao su, chất béo, Các aren đều là những chất có mùi, chẳng hạn như benzen vàtoluen có mùi thơm nhẹ nhưng có hại cho sức khoẻ, nhất là benzen

1.6.1.2 Tính chất hóa học của benzen:

Benzen có thể tác dụng với axít nitric trong điều kiện có axít sunfuricđặc làm xúc tác, để tạo thành nitro benzen (màu vàng, mùi hạnh nhân) Ngoài ra, còn

có thể cộng với hidro và halogen Benzen là một thành phần trong dầu thô, là một sảnphẩm của quá trình chưng cất dầu mỏ Tuy nhiên người ta thường tổng hợp benzen từcác chất trong dầu mỏ hơn là thu trực tiếp Benzen được sử dụng rộng rãi trong đờisống, là một dung môi quan trọng trong công nghiệp, là chất để điều chế dược phẩm,cao su tổng hợp, thuốc nhuộm,

Lưu ý, benzen rất độc, có khả năng gây ung thư ở người rất cao

Benzen, toluen và các xilen còn được dùng nhiều làm dung môi

1.6.2 Tính chất lí hóa của toluen:

Toluen có khối lượng phân tử : C6H5CH3Công thức cấu tạo:

Phân tử lượng: 92,14 g/mol

Tỷ trọng: 0,8669 g/cm³

Điểm nóng chảy: −93 °C (180 K)/(-135,4°F)Điểm sôi: 110.6°C (383,8 K)/ 231.08°FĐiểm bắt lửa: 4 °C/ 39,2 °F

1.6.2.1 Tính chất vật lí của toluen:

Toluen, hay còn gọi là mêtylbenzen hay phenylmêtan, là một chất lỏngtrong suốt, không hòa tan trong nước Toluen là một hyđrocacbon thơmđược sử dụng làm dung môi rộng rãi trong công nghiệp

o Nhiệt độ sôi ở áp suất khí quyển t0

s = 110,80C

o Khối lượng riêng ở 200C = 870 kg/m3

o Độ nhớt ở 200C = 0,586.103 N.s/m2 = 0,586 cp

o Nhiệt độ nóng chảy tnc = -950C

1.6.2.2 Tính chất hóa học của toluen:

Là một hyđrocacbon thơm, toluen có khả năng tham gia phản ứng thế

ái điện tử Nhờ có nhóm mêtyl mà độ hoạt động hóa học của toluen trong phảnứng này lớn gấp 25 lần so với benzen

Vì vòng thơm khá bền nên cần áp suất cao khi tiến hành phản ứnghyđro hóa toluen thành mêtylcyclohexan

1.6.2.3 Điều chế và ứng dụng:

a) Điều chế:

Toluen có thể tinh chế bằng cách sử dụng các hợp chất như CaCl2, CaH2,CaSO4, P2O5 hay natri để tách nước Ngoài ra, kỹ thuật chưng cất chân không cũngđược sử dụng phổ biến Trong kỹ thuật này, người ta thường sử dụng benzophenon vànatri để tách không khí và hơi ẩm trong toluen

Toluen được dùng để sản xuất thuốc nỏ TNT (trinitrotoluen)

Độc tính: Nếu tiếp xúc với toluen trong thời gian đủ dài, có thể bị bệnhung thư

aF : nồng độ phần khối lượng của cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp đầu

aD : Nồng độ phần khối lượng của cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đỉnh

aW : Nồng độ phần khối lượng của cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy

xF : Nồng độ phần mol cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp đầu

xD : Nồng độ phần mol cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đỉnh

xw : Nồng độ phần mol cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy

Cấu tử dễ bay hơi a: Benzen

Cấu tử khó bay hơi b: Toluen

a M

M M

6078

2.1 Lưu lượng hỗn hợp đầu và sản phẩm đáy:

Phương trình cân bằng vật liệu cho toàn tháp:

F = D + W (1)Viết cho cấu tử dễ bay hơi:

2.2.1 Đường cong cân bằng - đồ thị t-x-y theo thực nghiệm:

Gọi x, y là nồng đọ mol phần của thành phần lỏng và hơi của benzen (tính theophần mol)

t (0C) là nhiệt độ sôi của hỗn hợp hai cấu (ở 760 mmHg)

Theo bảng IX.2a- sổ tay QT&TBCN Hóa học tập 2, trang 146, ta có:

t0C

Dựa vào bảng số liệu này ta vẽ đồ thị đường cong cân bằng của hỗn hợpbenzen-toluen (Hình ) và đồ thị biểu diễn đường cong soi(Hình ).

Theo đồ thị đường cân bằng ta xác định đựoc y*F = 0,81 phần mol là nồng độcấu tử dễ bay hơi trong pha hơi cân bằng với pha lỏng trong hỗn hợp đầu

Theo đồ thị đường cong sôi ta xác định được nhiệt độ sôi của hỗn hợp s

Nlt = 19 (đĩa) (8 đĩa chưng và 11 đĩa luyện)

2.2.2 Phương trình đường nồng độ làm việc:

Vậy phương trình đoạn luyện: y = 0,65 + 0,3

 là hiệu suất ứng với đĩa cuối cùng

 Ứng với đĩa tiếp liệu:

* Ứng với đĩa trên cùng:

tt tt

tb

N N

 - tốc độ hơi trung bình đi tron tháp (m/s)

gtb- lượng hơi trung bình đi trong tháp (kg/h)

tb y

y )(  - tốc độ hơi trung bình đi trong tháp (kg/m2.s)

2.3.1 Đường kính đoạn luyện:

2.3.1.1 Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện:

 gtb có thể xem gần đúng bằng trung bình cộng lượng hơi đi ra khỏi đĩa trêncùng của tháp gđ và lượng hơi đi vào dưới cùng g1 của đoạn luyện:

Trong đó: gđ = GR+GD =GD(Rx+1) công thức IX.92 trang 181 sổtay QTTB tập 2

Với: GR : lượng lỏng hồi lưu (kg/h)

G1: lượng lỏng đĩa thứ nhất đoạn luyện

rđ : ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi ra khỏi đỉnh tháp

r1 : ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất đoạn luyện

d tb

g g

g  

 Tính r 1 : hỗn hợp đầu vào tháp ở 98,60C nên ta phải tính ra , rb ở98,60C.Theo bảng I.212 trang 254 sổ tay QTTB tập 1 ta có:

100 60 406,99

404,79

r

kcal kg do t

Ta giải được hệ:

1 1 1 1

y 0,515 (Phan khoi luong)

2.3.1.2 Tốc độ hơi trung bình đi trong đoạn luyện:

Áp dụng công thức IX.105 trang 184 sổ tay QTTB tập 2

Theo bảng I.242 trang 300 sổ tay QTTB tập 1 ta có sức căn bề mặt của toluen:

benzen-Ở 600C:

3 a1

b1

23,7.10 (N / m) 23,7 (dyn / cm)23,8 (dyn / cm)

(65,5 60) 23,8 0,115(65,5 60) 23,17 (dyn / cm)t

 

Ta thấy hh< 20 (dyn/cm) nên chọn     0,8.

 Tính khối lượng riêng trung bình:

Theo bảng I.2 trang 9 sổ tay QTTB tập 1 ta có khối lượng riêng của toluen:

benzen-�

�

- Ở 600C:

3 a1

3 b1

3 hh

3 xTB hh

3 yTB

2.3.2 Đường kính đoạn chưng:

2.3.2.1 Lương hơi trung bình trong đoạn chưng:

g’tb có thể xem gần đúng bằng trùng bình cộng lượng hơi đi ra khỏi đoạnchưng g’n và lượng hơi đi vào đoạn chưng g’1:

- Áp dụng công thức IX.96 trang 183 sổ tay QTTB tập 2:

g = ' 1

g = 315,12 (kg/h)Lượng hơi đi vai đoạn chưng g’1, lượng lỏng G’1 và hàm lượng lỏng x’1được xác định theo hệ phương trình cho ở trang182 sổ tay QTTB tập 2:

' 1

0,04.78

0,0350,04.78 0,94.92

Theo đồ thị đường cong sôi (H.2) ta có sản phẩm đáy có nhiệt độ sôi là

1100C, theo các số liệu r a,r b,t,r a1,r b1đã có ở phần tính toán đường kính đoạnluyện ta có:

416,64 x 357,29 0,04 59,35 0,02 

' 1

M y M  (1 y ).M

Tính khối lượng riêng trung bình của pha lỏng:

Tra khối lượng riêng của benzen-toluen ở bảng I.2 trang 9 sổ tay QTTB tập 1, tađược:

b b

tb

y y tb

g D

h D

Vậy Đường kính đoạn chưng là 0,31 (m)

Đường kính đoạn luyện là 0,297(m)Nên ta chọn đường kính chung cho tháp là 0,4 (m), với khoảng cách các đĩa là 0,25(m)

2.4 Cân bằng nhiệt lượng:

Gọi QD1 là nhiệt lượng do hơi nước cung cấp đễ đun sôi hỗn hợp đầu

Qf là nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào thiết bị đun sôi hỗn hợp

QF là nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra khỏi thiết bị đun sôi hỗn hợp đầu