Tiểu luận môn truyền khối

Giới thiệu chung về chưng cất và qui trình công nghệa Phương pháp chưng cất Benzen – Toluen:  Chưng cất là quá trình phân tách các hỗn hợp lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào sự kh

I Giới thiệu chung về chưng cất và qui trình công nghệ

a) Phương pháp chưng cất Benzen – Toluen:

 Chưng cất là quá trình phân tách các hỗn hợp lỏng thành các cấu tử riêng biệt

dựa vào sự khác nhau về độ bay hơi của chúng ( hay nhiệt độ sôi ), bằng cách lặp đi lặplại nhiều lần quá trình bay hơi – ngưng tụ, trong đó vật chất đi từ pha lỏng vào pha hơihoặc ngược lại

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

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

Phương pháp này sử dụng trong các trường hợp sau :

+ Khi nhiệt độ sôi của các cấu tử khác xa nhau + Khi không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao + Tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi + Tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử

- Chưng cất liên tục hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục):

là quá trình được thực hiện liên tục, nghịch dòng, nhiều đoạn

Ngồi ra còn có thiết bị hoạt động bán liên tục

Trong trường hợp này, do sản phẩm là Benzen – với yêu cầu có độ tinh khiết cao khi

sử dụng , cộng với hỗn hợp Benzen - Toluen là hỗn hợp không có điểm đẳng phí nên chọnphương pháp chưng cất liên tục là hiệu quả nhất

b) Chọn loại tháp chưng cất:

Có nhiều loại tháp được sử dụng, nhưng đều có chung 1 yêu cầu cơ bản là diện tíchtiếp xúc pha phải lớn, đều này phụ thuộc vào độ phân tán của lưu chất này vào lưu chấtkia Các loại tháp chưng cất gồm có:

 Tháp mâm: - Mâm chóp

- Mâm xuyên lỗ

- Mâm van

 Tháp đệm

Dựa vào những ưu khuyết điểm của các loại tháp, ta chọn được tháp mâm xuyên lỗ

để thực hiện quá trình chưng cất Benzen-Toluen vì:

- Chế tạo đơn giản, rẻ tiền

- Vệ sinh dễ dàng

- Trở lực thấp hơn tháp mâm chóp

- Với cùng 1 chức năng tổng khối lượng tháp mâm nhỏ hơn tháp chêm

- Có thể lắp đặt ống xoắn giải nhiệt trên mâm khi cần thiết

- Tháp mâm thích hợp trong trường hợp có số mâm lí thuyết hoặc số đơn vịtruyền khối lớn

- Tính ổn định cao

- Do Benzen và Toluen là những chất lỏng không có tính ăn mòn nên có thể dùngtháp mâm xuyên lỗ

Sơ đồ qui trình công nghệ và thuyết minh qui trình công nghệ :

9 10

12 Bồn chứa nguyên liệu

13 Kênh phân phối

14 Van xả khí không ngưng.

15 Bồn chứa sản phẩm đáy.

16 Áp kế

17 Nhiệt kế

b Thuyết minh qui trình công nghệ :

Hỗn hợp benzen-Toluen có nồng độ Benzen 30% ( theo khối lượng) , nhiệt độkhoảng 27 0C tại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3)

Từ đó được đưa đến thiết bị gia nhiệt (4) Ở đây, hỗn hợp được đun sôi đến nhiệt độsôi Sau đó, hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất (7) 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 tiếpxúc và trao đổi giữa hai pha với nhau Pha lỏng chuyển động trong phần chưng càngxuống dưới càng giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi tạo nên từ nồiđun (12) lôi cuốn cấu tử dễ bay hơi Nhiệt độ càng lên trên càng thấp, nên khi hơi điqua các đĩa từ dưới lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao là nước sẽ ngưng tụ lại, cuốicùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử Benzen chiếm nhiều nhất (cónồng độ 90% kg) Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ (8) và được ngưng tụ một phần(chỉ ngưng tụ hồi lưu) Một phần chất lỏng ngưng đi qua thiết bị làm nguội sảnphẩm đỉnh (10), được làm nguội đến 300C, rồi được đưa qua bồn chứa sản phẩmđỉnh (11) Phần còn lại của chất lỏng ngưng được hồi lưu về tháp ở đĩa trên cùng với

tỷ số hồn lưu tối ưu 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 thuđược hỗn hợp lỏng gồm hầu hết là cấu tử khó bay hơi Toluen Hỗn hợp lỏng ở đáy

có nồng độ Benzen là 5% theo khối lượng, còn lại là Toluen.Dung dịch lỏng ở đáy

đi ra khỏi tháp, một phần được đun, bốc hơi ở nồi đun (12) cung cấp lại cho tháp đểtiếp tục làm việc, phần còn lại được trao đổi nhiệt với nhập liệu ( sau khi qua bồncao vị )

Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là Benzen, sản phẩm đáy làToluen

II Cân bằng vật chất – Cân bằng năng lượng:

1. Cân bằng vật chất:

 Các số liệu ban đầu :

Chưng cất hỗn hợp Benzen-Toluen

Năng suất nhập liệu: F = 1000 ( Kg/h )

Nhập liệu có nồng độ Benzen : xF = 0.3 kgBenzen/kg hỗn hợp

Sản phẩm đỉnh có nồng độ Benzen : xD = 0.9 kgBenzen/kg hỗn hợp

Sản phẩm đáy có nồng độ Benzen : xw = 0.05 kgBenzen/kg hỗn hợp

 Phương trình cân bằng vật chất cho tòan bộ tháp chưng cất :

B F

M

x M

x

M x

3.0

78/3.0

B D

M

x M

x

M x

9.0

78/9.0

B W

M

x M

x

M x

05.0

78/05.0

1000 =11.46 (Kmol/h)

 Ta có:

(1) : D + W = 11.46(2) : 0,914*D + 0,058*W = 11,46*0.336 Suy ra: D = 3,72 (kmol/h) W = 7,74 (kmol/h)

 Khối lượng phân tử trung bình dòng sản phẩm đỉnh :

MD = 78.x D(1 x D).92 =79.204 (Kg/Kmol)

D = D*MD = 3,72*79,204= 294,64 (Kg/h)

 Khối lượng phân tử trung bình dòng sản phẩm đáy:

MW = 78.x W (1 x W).92 = 91,188 (Kg/Kmol)

W = W*MW = 7,74*91,188 = 705,8 (Kg/h)

1.1 Đồ thị đường cân bằng và t-x,y của hệ Benzen-Toluen:

Thành phần cân bằng lỏng (x), hơi (y) tính bằng %mol và nhiệt độ sôi của hỗnhợp hai cấu tử ở 760 mmHg (Benzen-Toluen):

F D

x y

y x

497.0914.0





=2.59 Với y*

F = 0.497 là phần mol của benzen trong pha hơi cân bằng với nhập liệulỏng đươc xác định trên đồ thị ở Hình 1

Chỉ số hồi lưu thực tế lấy lớn hơn 20% lý thuyết

108.3

 * x +

1108.3

914.0



= 0.757 * x + 0.222Phương trình đường làm việc phần chưng:

y =R RL1* x - R L11* xW

Với L =

72.3

46.11

08.3108

108.3

N

N trong đó: tb : hiệu suất trung bình của đĩa, là một hàm số của độ bay hơitương đối và độ nhớt của hỗn hợp lỏng :  = f(,)

O Ds

D

80

965.0

*318

*318

* 318

914.01

*965.01

965.01

* 318 0

* 59 2

*

 Tại tFs = 270C, ta có:

Độ nhớt của Benzen:

)/(10

*586

*5371

*5371.0lg(

*)336.01()10

*586.0lg(

*336.0lg

lg

*)1(lg

*lg

B F

* 553

m Ns hh

336.01

*552.01

552.01

x

x y

y



3

3 1 347 10 10

* 553 , 0

* 435 2

y

O Ws

W

100

126,0

*216

*269

*269.0lg(

*)058.01()10

*216,0lg(

*058.0lg

lg

*)1(lg

*lg

B W

) / ( 10

* 2656

058.01

*126.01

126.01

x

x y

y



3 3

10

* 622 0 10

* 2656 0

* 341 2

d) Số đĩa thực tế trong từng đoạn:

Hiệu suất trung bình của phần cất:

495.02

47.052.0

3





tb lt

N

Hiệu suất trung bình của phần chưng:

515.02

47.456.0

4





tb lt

N

Vậy số đĩa thực của tháp là 14 đĩa

78

*552.0

*)1(

F

B F F

M y M

y

M y y

92

*)965.01(78

*965.0

78

*965.0

*)1(

D

B D D

M y M

y

M y y

92

*)126.01(78

*126.0

78

*126.0

*)1(

W

B W

M y y

2.1 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng hỗn hợp ban đầu:

Phương trình cân bằng năng lượng cho thiết bị nung nóng hỗn hợp ban đầu

QD1 + Qf = QF + Qxq1 + Qng1

a) Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào tháp Q f :

f f

)./(1763

do kg J C

do kg J C

f

)./(17485

.1741

*)3.01(1763

*3

Q  * * (J/h) (CT IX.152, trang 196,TL3)

 F : lượng hỗn hợp đầu, F= 1000 (kg/h)

 tF : nhiệt độ của hỗn hợp nhập liệu khi ra khỏi thiết bị đun nóng, tF =

)./(2077

do kg J C

do kg J C

c) Nhiệt lượng hơi nước mang vào QD1

Lượng hơi đốt cần thiết để đun nóng dung dịch đầu đến nhiệt độ sôi:

)/(6510

*2208

*95.0

4719600010

*183695

5 1

1

1 1

r

Q Q Q Q Q

Q

Ta có: QD1 = D1*1 = D1*(r1 + C1*t1) (J/h) (CT IX.157, trang197,TL3)

Do hơi đốt là hơi nước bão hòa ở p = 2 at nên:

 r1: ẩn nhiệt hóa hơi, r1 = 2208*103 (J/kg) (Bảng I.251, trang 314-TL2)

 t1, C1: nhiệt đđộ C, nhiệt dung riêng cua nước ngưng (J/kg.do)

t1 = 119.6 oC C1 = 4274.1 (j/kg.độ)

)(1.49)/(4.176746853)

6.119

*1.427410

*2208(

Trong đó: Gng2 : lượng nước ngưng tụ bằng lượng hơiđđốt (kg/h)

e) Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh Q xq1 :

Qxq1 = 0.05*D1*r1 (J/h) (CT IX.162, trang 198,TL3)

Qxq1 = 0.05*65*2208*103 = 7176000(J/h) = 2(KW)

2.2 Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng cất:

Phương trình cân bằng năng lượng:

QF + QD2+ QR = Qy + Qw + Qxq2+ Qng2

a) Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào tháp Q F :

F F

)./(2077

do kg J C

do kg J C

do kg J C

do kg J C

T

B

(Bảng I.153, trang 171-TL2)

)./(5.20291980

*)9.01(2035

*9.0

*)1(

*

do kg J C

C x C

x C

D

T D B

D D

Rth: chỉ số hồi lưu, Rth = 3.108

)/(74.915108.3

*64

*75.378

)/(10

*85.393

3

3

kg J r

kg J r

*8010

*75.378

)/(5566502035

*8010

*85.393

3

3

kg J

kg J

*)959.01(556650

*959

do kg J C

do kg J C

*)05.01(2120

 r2: ẩn nhiệt hóa hơi (J/kg)

 t2, C2: nhiệt đđộ C, nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg.do)

Do hơi đốt là hơi nước bão hòa ở p = 2 at nên:

*2208

*95.0

)4.14867954610

*1836146277050

672790950(

*95,0

3

5 2

2 2

h kg D

r

Q Q Q Q

6.119

*1.427410

*2208(

Qxq2 = 0,05*232*2264*103 = 26262400 (J/h) = 7.29 (KW)

Qng2 = Gng2*C2*t2 = D2*C2*t2 (J/h)(CT IX.161, trang 198,TL3)

Qng2 = 175.3*4274.1*119.6 = 89610267.7(J/h) = 24.9 (KW)Trong đó: Gng2 : lượng nước ngưng tụ bằng lượng hơi đốt (kg/h)

2.3 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ:

Thiết bị ngưng tụ hoàn toàn G nt D*(R1)

Suy ra lượng nước lạnh tiêu tốn cần thiết là:

) (

* C

) 1 (R

* D

1 2 n

th 1

t t

2

1    : nhiệt độ trung bình của nước làm lạnh

 Cn: nhiêt dung riêng của nước làm lạnh tại ttb

*75.378

)/(10

*85.393

3

3

kg J r

kg J r

*75.378

*)9.01(10

*85.393

*9.0

*)1(

x r

ngung

T D B

D ngung

Gn1 = 4939.47( / ) 1.37( / )

)2750(

*4180

392340

*)1108.3(

*64.294

s kg h







2.4 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh:

Ta có phuơng trình cân bằng nhiệt:

) (

*

* )

' ' (

*

)(

*

)''(

*

*

1 2

2 1 2

t t C

t t C D G

n

D n





Trong đó:

 t1, t2: nhiệt độ vào và ra của nước làm lạnh

Chọn t1 = 27oC , t2 = 50oC

ttb = t t 38.5o C

2

40272

''







Tại t’tb = 65 0C ta có:

)./(1956

do kg J C

do kg J C

*)9.01(1956

*9.0

*)1(

*

do kg J C

C x C

x C

D

T D B

D D

2750(

*4180

)5080(

*4.1952

*64.294

2.5 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đáy:

Ta có phương trình cân bằng nhiệt:

) (

*

* )

2 1 3

t t C

t t C W G

n

W n





Trong đó:

 t1, t2: nhiệt độ vào và ra của nước làm lạnh

Chọn t1 = 27oC , t2 = 50oC

ttb = t t 38.5o C

2

50272

t'2

t'1=t Ds

do kg J C

do kg J C

*)05.01(75.2008

*05.0

*)1(

*

do kg J C

C x C

x C

W

T W B

W W

2750(

*4180

)50100(

*4.1962

*8.705

) ω ( 0188 , 0 ω 3600.





Với 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, đường kính đoạn chưng và đoạn cất cũng khác nhau

o Đường kính đoạn cất:

Kết quả tính toán được: Dt = 0.062(m)

o Đường kính đoạn chưng:

Kết quả tính toán được: Dchưng = 0.06 (m)

o Chiều cao tháp

Chiều cao tháp được xác định theo công thức sau :

H = Ntt * ( Hđ +  ) + ( 0.8  1.0 ) ( m ) Kết quả tính toán được: H = 5.36 (m)

Cấu tạo mâm lỗ:

Chọn : Đường kính lỗ : dl = 3 (mm).

Tổng diện tích lỗ bằng 9,77% diện tích mâm

Khoảng cách giữa hai tâm lỗ bằng 2,5 lần đường kính lỗ (bố trí lỗ theo 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 :

N =

lo

mâmS

003 , 0

6 , 0 0977 , 0

0977 ,

D

~3908 lỗ

Vậy: ta bố trí các lỗ trên 1 mâm thành 51(hàng), số lỗ trên đường chéo là 66 lỗ

Bề dày thân tháp:

Ta chọn vật liệu chế tạo thân tháp là thép không gỉ mã X18H10T

Kết quả tính toán được: St = 2 (mm)