Thiết kế tháp chưng cất hệ acetone – benzen hoạt động liên tục với năng suất nhập liệu 30 tấn/ngày, nồng độ nhập liệu là 38%, nồng độ sản phẩm đỉnh là 98% và nồng độ sản phẩm đáy là 1%

LỜI MỞ ĐẦU Một trong những ngành có sự đóng góp to lớn đến công nghiệp nước ta nói riêng và thế giới nói chung, đó là ngành Công nghệ Dầu khí và khai thác dầu. Hiện nay, trong nhiều ngành sản xuất hóa chất cũng như sử dụng sản phẩm hóa học, nhu cầu sử dụng nguyên liệu hoặc sản phẩm có độ tinh khiết cao phải phù hợp 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 thụ,… Tùy theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có sự lựa chọn phương pháp thích hợp. Đối với môn học Quá trình và thiết bị là môn học mang tính tổng hợp trong quá trình học tập của các kỹ sư hóa trong tương lai. Môn học giúp sinh viên giải quyết nhiệm vụ tính toán cụ thể về yêu cầu công nghệ, kết cấu, điều kiện vận hành, giá thành của một thiết bị trong quá trình thiết kế thiết bị. Đây là bước đầu tiên để sinh viên vận dụng những kiến thức đã học của nhiều môn vào giải quyết những vấn đề kĩ thuật trong thực tế một cách tổng quát. Nhiệm vụ của môn học này là thiết kế tháp chưng cất hệ acetone – benzen hoạt động liên tục với năng suất nhập liệu 30 tấn/ngày, nồng độ nhập liệu là 38%, nồng độ sản phẩm đỉnh là 98% và nồng độ sản phẩm đáy là 1% . LỜI CẢM ƠN Em chân thành cảm ơn các quý thầy cô bộ môn Công nghệ Dầu khí và khai thác dầu, các bạn sinh viên đã giúp em hoàn thành đồ án này. Tuy nhiên, trong quá trình hoàn thành đồ án không thể tránh khỏi những sai sót, em rất mong quý thầy cô và các bạn đã góp ý, chỉ dẫn. CAM ĐOAN Chúng tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung dự án do chính chúng tôi tìm kiếm tài liệu và tham khảo trình bày bên dưới là đúng sự thật. Không có sao chép từ bát cứ đồ án nào khá, tất cả những tham khảo và kế thừa đều được trích dẫn và tham chiếu đầy đủ. Chúng tôi chịu trách nhiệm từ cam đoan của mình. MỤC LỤC PHÂN CÔNG LÀM VIỆC CỦA NHÓM Bảng 1: Giản đồ GANTT CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM, QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT BIỆN LUẬN LỰA CHỌN THÁP CHƯNG CẤT VÀ DÂY CHUYỂN CÔNG NGHỆ I. Tổng quan sản phẩm 1. Acetone a. Công thức cấu tạo, một số tính chất hóa lý đặc trưng - Axeton (bắt nguồn từ từ tiếng Pháp acétone), còn được viết là a-xê-tôn, là hợp chất hữu cơ, có công thức là (CH3)2CO. Axeton là một chất lỏng dễ cháy, không màu và là dạng xeton đơn giản nhất. Axeton tan trong nước và là dung môi chủ yếu dùng để làm sạch trong phòng thí nghiệm, đồng thời là một chất dùng để tổng hợp các chất hữu cơ và còn được sử dụng trong các thành phần hoạt chất của sơn móng tay. 6,7 triệu tấn axeton được sản xuất trên toàn thế giới trong năm 2010, chủ yếu sử dụng làm dung môi và sản xuất metyl metacrilat và bisphenol. - Công thức cấu tạo : H3C – C – CH3  O - Tên gọi: + Danh pháp IUPAC : propanone + Tên thông thường : axetone + Tên khác : dimetyl fomandehit Bảng 2: Tính chất hóa lý của axetone Trạng thái, màu sắc Chất lỏng, không màu Khối lượng mol 58.04 g/mol Khối lượng riêng 0.791 g.cm-3 Điểm nóng chảy -95 đến -930C ( -139 đến -1360F) (178 đến 180K) Điểm sôi 56 đến 570C ( 133 đến 1340F ) (329 đến 330 K) Độ hòa tan trong nước Tan vô hạn Độ axit (pKa) 19.2 Độ bazo (pKb) -5.2 Độ nhớt 0.3075cP Điểm bắt lửa -170C Điểm chớp cháy 3580C Tốc độ bay hơi 0.00143 b. Tính chất hóa học đặc trưng - Cộng H2O tạo rượu bậc 2 - Phản ứng OXH – Khử + Phản ứng Khử • Để thực hiện phản ứng khử aceton có thể dùng H trên xúc tác Ni, Pt hoặc dùng LiAlH4. + Phản ứng OXH • Khi gặp các chất oxi hóa mạnh như KmnO4/ H2SO4.; K2Cr2O7/ H2SO4, … thì aceton bị bẻ gãy các mạch C cạnh nhóm cacbonyl để tạo axit hữu cơ. + Cộng xianua tạo thành xianhydrin c. Phương pháp sản xuất acetone - Trong thời kỳ chiến tranh thế giới thứ nhất do nhu cầu về nguồn aceton rất lớn, nên Hoa Kỳ đã áp dụng phương pháp chưng cất khan Ca(CH3COO)2 để thu được aceton bằng cách lên men rượu có mặt xúc tác của vi khuẩn để chuyển cacbohydrate thành aceton Butyl Alcohol. Công nghệ này được ứng dụng chủ yếu trong suốt cuộc chiến tranh thế giới lần thứ nhất vào những năm 20. Ca(CH3COO)2 → CaO + CO2↑ + (CH3)2CO - Tuy nhiên, đến giữa năm 20 và cho đến nay thì công nghệ trên đã được thay thế bằng công nghệ có hiệu quả hơn, công nghệ này chiếm khoảng ¾ phương pháp sản xuất Aceton của Hoa Kỳ : Dehydro Isopropyl Alcol. - Ngoài ra, còn có một số quá trình sản xuất Aceton khác như : • Oxi hóa Cumen Hydro Peroxide thành Phenol và Acetone • Oxi hóa trực tiếp Butan – Propan • Lên men Carbon Hydrate bởi vi khuẩn đặc biệt (Clostridium acetobutylicum) • Tổng hợp Aceton bằng cách Dehydro Isopropyl Alcol có xúc tác: CH3CHOHCH3 + 15.9 Kcal (ở 3270C )  CH3COCH3 + H2 - Xúc tác sử dụng: đồng và hợp kim của nó, oxit kim loại và muối - Khi nhiệt độ khoảng 325 độ C thì hiệu suất khoảng 97% dòng khí nóng sau phản ứng gồm có: Acetone, lượng Isopropyl Alcol chưa phản ứng, H2 và một phần nhỏ sản phẩm phụ như Propylene, disopropyl eter…. Hỗn hợp này sẽ được làm lạnh và khí không ngừng được lọc bởi nước. Dung dịch lỏng này được đem đi chưng cất phân đoạn sẽ thu được Aceton ở đỉnh và hỗn hợp của nước. Isopropyl Alcol (ít) ở đáy. d. Ứng dụng - Sản xuất sơn và nhựa resin - Dược và mỹ phẩm • Aceton dùng làm chất khử nứơc trong sản xuất thuốc và trong ngành công nghiệp mỹ phẩm và sơn, nước rửa móng tay, chân. - Nén khí Acetylene • Acetylene là một trong những loại khí công nghiệp quan trọng nhưng không thể nén một cách hiệu quả. Vì vậy,để bảo quản tốt các bình hình trụ mà không để xảy ra nguy cơ nổ thì aceton có thể hoà tan một lượng lớn khí Acetylene(khoảng 300 lần thể tích so vơí thể tích của chính nó). Acetylene được dùng trong bình khí cùng với khí acetone ở dạng đất sét hấp thụ. Do acetylene được hấp thụ hết bằng acetone nên khi khí Aceton bay ra sẽ kèm theo khí acetylene. Cho nên, ta cần phải bổ sung khí aceton mới đều đặn. - Ngoài ra còn có: dung môi tẩy rửa, mực in màu khô. 2. Benzen a. Công thức cấu tạo, tính chất hóa lý đặc trưng - Benzene là một hợp chất hữu cơ có công thức hoá học C6H6. Benzen là một hyđrocacbon thơm, trong điều kiện bình thường là một chất lỏng không màu, mùi dịu ngọt dễ chịu, dễ cháy. Benzen tan rất kém trong nước và rượu. Vì chỉ chứa carbon và hydro nên benzene là một hydrocarbon.

Ngày nay, các phương pháp được sử dụng để nâng cao độ tinh khiết như trích ly, chưngcất, cô đặc, hấp thụ,… Tùy theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có sự lựa chọn phươngpháp thích hợp.

Đối với môn học Quá trình và thiết bị là môn học mang tính tổng hợp trong quá trình họctập của các kỹ sư hóa trong tương lai Môn học giúp sinh viên giải quyết nhiệm vụ tính toán

cụ thể về yêu cầu công nghệ, kết cấu, điều kiện vận hành, giá thành của một thiết bị trongquá trình thiết kế thiết bị Đây là bước đầu tiên để sinh viên vận dụng những kiến thức đã họccủa nhiều môn vào giải quyết những vấn đề kĩ thuật trong thực tế một cách tổng quát

Nhiệm vụ của môn học này là thiết kế tháp chưng cất hệ acetone – benzen hoạt động liêntục với năng suất nhập liệu 30 tấn/ngày, nồng độ nhập liệu là 38%, nồng độ sản phẩm đỉnh là98% và nồng độ sản phẩm đáy là 1%

LỜI CẢM ƠN

Em chân thành cảm ơn các quý thầy cô bộ môn Công nghệ Dầu khí và khai thác dầu, cácbạn sinh viên đã giúp em hoàn thành đồ án này Tuy nhiên, trong quá trình hoàn thành đồ ánkhông thể tránh khỏi những sai sót, em rất mong quý thầy cô và các bạn đã góp ý, chỉ dẫn

MỤC LỤC

PHÂN CÔNG LÀM VIỆC CỦA NHÓM

Bảng 1: Giản đồ GANTT

CHƯƠNG I

TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM, QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT

BIỆN LUẬN LỰA CHỌN THÁP CHƯNG CẤT VÀ DÂY CHUYỂN CÔNG NGHỆ

I Tổng quan sản phẩm

1 Acetone

a Công thức cấu tạo, một số tính chất hóa lý đặc trưng

- Axeton (bắt nguồn từ từ tiếng Pháp acétone), còn được viết là a-xê-tôn, là hợp chất

hữu cơ, có công thức là (CH3)2CO Axeton là một chất lỏng dễ cháy, không màu và làdạng xeton đơn giản nhất Axeton tan trong nước và là dung môi chủ yếu dùng để làm sạchtrong phòng thí nghiệm, đồng thời là một chất dùng để tổng hợp các chất hữu cơ và còn được

sử dụng trong các thành phần hoạt chất của sơn móng tay 6,7 triệu tấn axeton được sản xuấttrên toàn thế giới trong năm 2010, chủ yếu sử dụng làm dung môi và sản xuất metylmetacrilat và bisphenol

- Công thức cấu tạo : H3C – C – CH3



O

- Tên gọi:

+ Danh pháp IUPAC : propanone

+ Tên thông thường : axetone

+ Tên khác : dimetyl fomandehit

Bảng 2: Tính chất hóa lý của axetone

+ Cộng xianua tạo thành xianhydrin

c Phương pháp sản xuất acetone

-Trong thời kỳ chiến tranh thế giới thứ nhất do nhu cầu về nguồn aceton rất lớn, nênHoa Kỳ đã áp dụng phương pháp chưng cất khan Ca(CH3COO)2 để thu được aceton bằngcách lên men rượu có mặt xúc tác của vi khuẩn để chuyển cacbohydrate thành aceton ButylAlcohol Công nghệ này được ứng dụng chủ yếu trong suốt cuộc chiến tranh thế giới lần thứnhất vào những năm 20

Ca(CH3COO)2 → CaO + CO2↑ + (CH3)2CO

- Tuy nhiên, đến giữa năm 20 và cho đến nay thì công nghệ trên đã được thay thếbằng công nghệ có hiệu quả hơn, công nghệ này chiếm khoảng ¾ phương pháp sản xuấtAceton của Hoa Kỳ : Dehydro Isopropyl Alcol.

-Ngoài ra, còn có một số quá trình sản xuất Aceton khác như :

 Oxi hóa Cumen Hydro Peroxide thành Phenol và Acetone

 Oxi hóa trực tiếp Butan – Propan

 Lên men Carbon Hydrate bởi vi khuẩn đặc biệt (Clostridium acetobutylicum )

 Tổng hợp Aceton bằng cách Dehydro Isopropyl Alcol có xúc tác:

CH3CHOHCH3 + 15.9 Kcal (ở 3270C )  CH3COCH3 + H2

-Xúc tác sử dụng: đồng và hợp kim của nó, oxit kim loại và muối

-Khi nhiệt độ khoảng 325 độ C thì hiệu suất khoảng 97% dòng khí nóng sau phảnứng gồm có: Acetone, lượng Isopropyl Alcol chưa phản ứng, H2 và một phần nhỏ sản phẩmphụ như Propylene, disopropyl eter… Hỗn hợp này sẽ được làm lạnh và khí không ngừngđược lọc bởi nước Dung dịch lỏng này được đem đi chưng cất phân đoạn sẽ thu đượcAceton ở đỉnh và hỗn hợp của nước Isopropyl Alcol (ít) ở đáy

- Ngoài ra còn có: dung môi tẩy rửa, mực in màu khô

2 Benzen

a Công thức cấu tạo, tính chất hóa lý đặc trưng

- Benzene là một hợp chất hữu cơ có công thức hoá họ c C 6H6 Benzen làmột hyđrocacbon thơm, trong điều kiện bình thường là một chất lỏng không màu, mùi dịungọt dễ chịu, dễ cháy Benzen tan rất kém trong nước và rượu Vì chỉ chứa carbon và hydronên benzene là một hydrocarbon

- Công thức cấu tạo :

- Tên gọi :

+ Danh pháp IUPAC : Benzen

+ Tên khác : Benzol cyclohexa – 1,3,5 – trien

Bảng 3: Tính chất hóa lý của Benzen

- Phản ứng oxi hóa vòng benzen

+ Vòng benzen bền vững với các chất oxi hóa mạnh thường được dùng để oxi hóaanken như CrO3, H2O2, KMnO4., …Tuy nhiên, khi có chất xt thích hợp, vòng benzen có thể

bị oxi hóa không hoàn toàn bởi O2 kk

c Phương pháp sản xuất benzen

- Đi từ thiên nhiên

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

- Đóng vòng và dehydro hóa ankan

+ 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 kim loại chuyển tiếp như Pd, Pt

CH3(CH2)4CH3  C6H6

- Dehydro hóa các cycloankan

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

- Sản xuất styren cho tổng hợp polymer

- Sản xuất cumen cho việc sản xuất cùng lúc axeton và phenol

- Sản xuất cyclohexan tổng hợp nilon

- Làm dung môi, sản xuất dược liệu

II Tổng quan về quá trình chưng cất

1 Quá trình chưng cất và phương pháp chưng cất

- Chưng cất là phương pháp tách hỗn hợp các cấu tử ( lỏng/khí) ra khỏi nhau dựatrên độ bay hơi khác nhau giữa các cấu tử trong hỗn hợp ( nghĩa là tại cùng một nhiệt độ thì

áp suất hơi bão hòa của các cấu tử khác nhau

- Trong quá trình chưng pha mới được tạo nên bằng sự bốc hơi hoặc ngưng tụ để tạonên sự tiếp xúc pha

- Trong quá trình chưng dung môi và chất tan đều bay hơi ( nghĩa là các cấu tử đềuhiện diện trong cả hai pha nhưng với tỷ lệ khác nhau )

- Sản phẩm thu được từ quá trình chưng cất gồm:

+ Cấu tử nhẹ ( dễ bay hơi ): thu được ở đỉnh

+ Cấu tử nặng ( khó bay hơi ): thu được ở đáy

+ Đối với hệ acetone – benzen

 Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm acetone và một ít benzen

 Sản phẩm đáy chủ yếu gồm benzen và một ít acetone

- Trong sản xuất ta gặp các phương pháp chưng cất sau:

+ Chưng đơn giản: dùng để tách hỗn hợp gồm có các cấu tử có độ bay hơi rất khácnhau Phương pháp này thường dùng để tách sơ bộ và làm sạch các cấu tử khỏi tạp chất

+ Chưng bằng hơi nước trực tiếp: dùng để tách các hỗn hợp gồm các chất khó bayhơi và tạp chất không bay hơi, thường được ứng dụng trong trường hợp chất được tách khôngtan vào nước

+ Chưng chân không: dùng trong trường hợp cần hạ thấp nhiệt độ sôi của cấu tử.Phương pháp này được sử dụng đối với các cấu tử dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao hay trườnghợp

các cấu tử có nhiệt độ sôi quá cao

+ Chưng luyện: là phương pháp phổ biến nhất dùng để tách hoàn toàn hỗn hợp cáccấu tử dễ bay hơi có tính chất hòa tan một phần hoặc hòa tan hoàn toàn vào nhau

2 Hệ thống chưng cất

Hình 1:Hệ thống quá trình chưng cất

- Tháp chưng cất:

+ Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để tiến hành chưng cất+ Yêu cầu cơ bản của các thiết bị vẫn giống nhau: diện tích bề mặt tiếp xúc phaphải lớn để đảm bảo quá trình chuyển khối, điều này phụ thuộc vào mức độ phân tán của mộtlưu chất này vào lưu chất kia

+ Nếu pha khí phân tán vào trong pha lỏng ta có các loại tháp đĩa, nếu pha lỏngphân tán vào pha khí thì ta có tháp đệm

- Ưu, nhược điểm của tháp đệm, tháp đĩa chóp và tháp đĩa lỗ

Bảng 4: Ưu điểm, nhược điểm của tháp đĩa và tháp đệm

- Trở lực nhỏ

- Hiệu quả tách cao

- Chi phí lắp đặt thấp

- Năng suất cao

- Hoạt động ổn định

- Chế tạo đơn giản

và tiêu tốn ít hơntháp đĩa chóp

năng suất thấp, độ

ổn định thấp-Vệ sinh khó khănnên không sửdụng được vớichất lỏng bẩn

- Chi tiết cấu tạođơn giản

- Trở lực lớn

- Tốn nhiều vật liệu kim loại

- Trở lực khá cao

- Yêu cầu lắp đặtkhắt khe (lắp đĩathật phẳng, lưulượng làm việcphải phù hợp vớikích thước lỗ )

- Sơ đồ tổng quát dây chuyền công nghệ

Hình 2: Sơ đồ tổng quát dây chuyền công nghệ

I Cân bằng vật

chất

CHƯƠNG II TÍNH CÔNG NGHỆ THIẾT BỊ CHÍNH

1 Các thông số ban đầu

- Phần khối lượng cấu tử nhẹ trong dòng nguyên liệu : aF = 38 %

- Phần khối lượng cấu tử nhẹ trong dòng sản phẩm đỉnh : aP = 98%

- Phần khối lượng cấu tử nhẹ trong dòng sản phẩm đáy : aw = 1%

- Nguyên liệu vào hệ thống ở nhiệt độ sôi

- Quá trình làm việc ở áp suất bình thường

- Loại thiết bị là tháp đĩa

- Khối lượng phân tử của Acetone và Benzen: MA = 58, MB = 78;

 Các kí hiệu

+ GF, GP, Gw : Lưu lượng khối lượng dòng nguyên liệu, sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy+ aF, aP, aw : Phần khối lượng cấu tử nhẹ trong dòng nguyên liệu, sản phẩm đỉnh và đáy+ xF, xP, xw : Phần mol cấu tử nhẹ trong dòng nguyên liệu, sản phẩm đỉnh và đáy

2 Xác định lưu lượng mol của sản phẩm đỉnh và đáy

1−0,9878

1−0,0178

- Lưu lượng mol :

F = G M A F a F + GF ( 1 − a F )

=

M B

1250.0,38 +

58

1250.(1−0,38)

= 18,12 (kmol/h)78

Nồng độphẩn khốilượng

Nồng độphần mol

Lưu lượng( kmol/ h)

Lưu lượng( kg/h )

Bảng 6: Thành phần cân bằng lỏng (x) – hơi (y) theo % mol và nhiệt độ sôi của hỗn hợp 2

cấu tử Acetone – Benzen ở 760 mmHg

249

23.13594

37.53219

47.78483

55.95051

63.11954

69.95148

76.87877

84.1727

91.93015

67.71182699

64.13333653

61.5834638

59.78667925

58.56018902

57.76201011

57.25675351

56.88726299

56.44820828

Hình 3: Đường cần bằng x-y Hình 4: Đường cân bằng T –x –

y Bảng 7: Thành phần Acetone – Benzen trong hỗn hợp

Nhiệt độ sôi ( 0C ) Thành phần của Acetone trong hỗn hợp

số hồi lưu tối thiểu

Từ giá trị nôi suy ta suy ra y* = 0.597519

số hồi lưu làm việc

- Thường được xác định theo tỉ số hồi lưu tối thiếu

Rx = b Rxmin Trong đó: hệ số dư b = 1.4 ÷ 3Vấn đề chọn chỉ số hồi lưu thích hợp rất quan trọng vì khi chỉ số hồi lưu bé thì số bậc củatháp lớn nhưng tiêu tốn hơi đốt ít, ngược lại thì khi chỉ số hồi lưu lớn thì số bậc của tháp íthơn nhưng tiếu tốn hơi đốt rất lớn

 Ta phải xác định Rx từ điều kiện tháp nhỏ nhất (Vlàm việc ~ Nlt (Rx +1))

- Với các giá trị Rx > Rxmin ta tìm được các giá trị tung độ B tương ứng

B = x P

Rx

+1

 Với b = 3

90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

 Với b = 2,8

Hình 5: Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết của hỗn hợp tại b = 3

Hình 6: Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết của hỗn hợp tại b = 2,8

 Với b = 2,6

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

Hình 9: Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết của hỗn hợp tại b = 2,2

Hình 10: Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết của hỗn hợp tại b = 2

 Với b = 1,8

90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

Hình 13: Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết của hỗn hợp tại b = 1,4

Bảng 8: Quan hệ tỉ số lưu hồi thích hợp với Nlt

700 600 500 400 300 200 100

0 3.0000004.0000005.0000006.0000007.0000008.0000009.000000

Hình 14:Đồ thị mối quan hệ giữa Rx và N(Rx+1)

- Chọn Rx = 6.390602 là thích hợp nhất ứng với b = 2.4 và B = 7.15

 Nlt = 34.2 và Nlt(Rx + 1) = 252.7586

II Cân bằng nhiệt lượng

1 Phương trình cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu

QD1 + Qf = QF + Qng1 + Qxq1 (J/h)Trong đó :

+ Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào: QD1 = D1.1 = D1(r1 + 1.C1) (J/h )

+ Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào: Qf = F.Cf.tf ( J/h )

+ Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra: QF = F.CF.tF ( J/h )

+ Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra: Qng1 = Gng1.C1.1 = D1.C1.1 ( J/h )

+ Nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh: Qxq1 = 0,05.D1.r1 ( J/h )

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

Trong đó :

+ D1: lượng hơi đốt ( kg/h ) ( sử dụng hơi nước bão hòa )

+ r1: ẩn nhiệt hóa hơi của hơi đốt ( kg/h )

+ tF: nhiệt độ hỗn hợp đi ra thiết bị đun sôi hỗn hợp đầu ( J/kg )

+ tF: nhiệt độ sôi của hỗn hợp đi ra thiết bị đun sôi hỗn hợp đầu

a) Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào:

Qf = F.Cf..tf ( J/h )

Ta có:

F = 1250 ( kg/h ); aF = 0,38; tf = 25oC

Cf = CA.aF + CB.( 1- aF)Nội suy theo ttb= 25℃C trong bảng I.153 (I.171) ta có: C

CA = 2195 (J/kg.độ)

CB = 1753,75 (J/kg.độ)Suy ra: Cf = 2195 0.38 + 1753,75 (1 – 0,38) = 1921,43 (J/kg.độ)

Nội suy theo ttb= 67,28℃C trong bảng I.153 (I.171) ta có: C

CA = 2328,66 (J/kg.độ)

CB = 1968,22 (J/kg.độ)Suy ra: CF = 2328,66 0,38 + 1968,22 ( 1 – 0,38) = 2105,19 (J/kg.độ)

Suy ra: QF = 1250 1968,22 67,28 = 177046243,5 ( J/h)

Nội suy bảng I.251 (I.314) ở áp suất P = 2 atm ta có r = 2164600 (J/kg)

Nội suy theo ttb= 133,7 C ℃C trong bảng I.153 (I.171) ta có: C1 = 2010,52

+ Nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào: QR = GR.CR.tR

+ Nhiệt lượng do hơi đốt mang ra ở đỉnh tháp: Qy = P( 1 + Rx)đ

+ Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra: QW = W.CW.tW

+ Nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh: Qng2 = Gng2.C2.2 = D2.C2.2

+ Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra: Qxq2 = 0,05.D2.r2

_ Lượng hơi đốt cần thiết để đun nóng dung dịch ở đáy tháp:

b) Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp:

rA = 124,6 (J/kg)

rB = 98,05 (J/kg)Nội suy theo t= 56,64℃C trong bảng I.153 (I.171) ta có: C

Suy ra: D2

= 14895411,78 + 128754220,9 – 177046243,5 – 396000239,6

= 896,73 (kg/h)2164006,12

g) Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra:

Qxq2 = 0.05 D2.r2 = 0,05 896,73 216= 4006,12 ( J/h )

3 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ đỉnh tháp

_ Nếu trong thiết bị ngưng tụ chỉ ngưng tụ lượng hồi lưu thì: P.Rx.rD = Gnl.Cn.(t2-t1)

_ Lượng nước lạnh tiếu tốn: Gnl= P C n (t 2−t R x r D

1)Trong đó:

+ r: ẩn nhiệt của hỗn hợp ngưng tụ, J/kg

rD = rA.aP + rB.(100 – aP)+ Gnl: lượng nước lạnh tiêu tốn, kg/h

+ Cn: nhiệt dung riêng của nước làm lạnh (tính theo nhiệt độ trung bình) (J/kg.độ)+ t1: nhiệt độ vào của nước lạnh, oC, thường chọn t1 = 20-25 oC

+ t2: nhiệt độ ra của nước lạnh, oC, chọn t2 không vượt quá 45 oC

a) Nếu trong thiết bị ngưng tụ chỉ ngưng tụ lượng hồi lưu thì

rA = 124,672 (J/kg)

rB = 98,046 (J/kg)Suy ra: rD = 519747,17 (J/kg)

a) Nếu thiết bị ngưng tụ hoàn toàn thì: P.(1+Rx).rD = GnlCn(t2-t1)

_ Lượng nước lạnh tiêu tốn Gnl= P. ( 1 + R x ) r

4 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh

a) Nếu trong thiết bị ngưng tụ chỉ ngưng tụ lượng hồi lưu thì:

Trong đó:

+ F : hiệu suất thu tính được tại giá trị nhiệt độ dòng nhập liệu tF

+ D : hiệu suất thu tính được tại giá trị nhiệt độ đỉnh tháp tD

+ W : hiệu suất thu tính được tại giá trị nhiệt độ đáy tháp tw

x1 tại xP = 0,985  x2 = 1 – 0,985 = 0,015

Nội suy trong bảng I.101 (I.91) ở nhiệt độ tP = 56,64 C ℃C ta có:

μA = 0,2354 10-3 (N.s/m2)

μB = 0,4055 10-3 (N.s/m2)Suy ra: lg P = x1.lg1(acetone) + x2.lg2(benzene) = 0,2379272

 w = 2,061499378

 F.F = 4 65183747  F = 34%

 P.P= 2 140390034 P = 41%

 W.W = 5 541207346 W = 31%

- Số mâm thực tế tại điểm nhập liệu = Nlt.F = 100.5882

- Số mâm thực tế tại đoạn luyện = Nlt.P = 83.41463

- Số mâm thực tế tại đoạn chưng = Nlt.W = 110.3226

tb = 35%  Ntt = 96.79245283

III.Tính toán kết cấu tháp chưng cất

1 Tính toán đường kính tháp chưng cất

_ Quan hệ giữa chiều cao H và đường kính trong Dt (đối với thiết bị đặt thẳng đứng) và hệgiữa chiều dài L và đường kính trong Dt (đối với thiết bị đặt nằm ngang) được xác định theoyêu cầu của công nghệ sản xuất hóa chất và thông thường là: H/Dt ≤ 30 và L/Dt ≤ 10

_ Công thức tính đường kính tháp:

Trong đó:

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

+ ytb: vận tốc hơi trung bình đi trong tháp (m/s);

+ gtb: lưu lượng hơi trung bình (kg/h);

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

_ Do lượng hơi và lượng lỏng phụ thuộc vào sự thay đổi chiều cao tháp và khác nhau trongđoạn chưng và đoạn luyện dẫn đến đường kính của đoạn chưng và đoạn luyện của tháp có thểkhác nhau

_ Lượng hơi trung bình đi trong mỗi đoạn được tính trung bình theo lưu lượng hơi đi vào và

ra của mỗi đoạn

+ Đoạn luyện:

+ Đoạn chưng:

a) Tính lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện

_ Lượng hơi trung bình đi trong tháp:

Trong đó:

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

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

+ Trong hệ trên, xem x1 = xF

+ y1 : hàm lượng hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn luyện, phần hối lượng

+ G1 : lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn luyện (kg/h)

+ r1 : ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn luyện (kJ/kg)

r1 = rA.y1 + (1-y1 ).rB

+ rP : ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi ra ở đỉnh tháp (giá trị này đã tính trong phầncân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ) (kJ/kg)

rP = rA.yD + (1-yD ).rB

_ Tính khối lượng trung bình: Đối với pha hơi

+ Đối với pha hơi, từ phương trình cân bằng vật liệu, cân bằng nhiệt lượng tính cho cấu

tử nhẹ đối với từng đoạn tháp ta tính nồng độ phần mol trung bình của cấu tử nhẹ trongđoạn đó, từ đó tính được khối lượng riêng trung bình của pha hơi theo công thức:

Trong đó:

+ MA, MB : khối lượng môn của cấu tử A và B

+ T: nhiệt độ trung bình của đoạn luyện (oK);

+ Nồng độ phần mol trung bình ytb1 tính theo công thức:

Với yd1 = yp và yc1 = y1

_ Tính khối lượng trung bình: Đối với pha lỏng:

+ Đối với pha lỏng, khối lượng riêng trung bình được tính theo công thức:

+ Tính atb1: phần khối lượng trung bình của cấu tử A trong pha lỏng:

+ Tính ρx1, ρx2: khối lượng riêng trung bình của cấu tử A và B của pha lỏng lấy theo nhiệt độ trung bình (kg/m3)

- Nồng độ phần mol trung bình của cấu tử A trong đoạn luyện xtb1:

- Từ giá trị xtb1 thu được, sử dụng số liệu từ bảng IX.2a – (Tr145/T2), tìm được nhiệt độtrong bình tương ứng txtb

- Ứng với nhiệt độ txtb sẽ tìm được ρx1, ρx2 và ρxtb

_ Tính vận tốc hơi đi trong tháp:

+ Tháp đĩa: vận tốc làm việc của tháp phụ thuộc vào sức căng bề mặt của hỗn hợp lỏng, khốilượng riêng của hỗn hợp lỏng, hơi và khoảng cách giữa các đĩa (được chọn theo đường kínhtháp), theo công thức:

+ Tính ρxtb, ρytb: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha hơi tính theo nhiệt độ trung bình (kg/m3)

+ h: khoảng cách giữa các đĩa, chọn theo đường kính tháp (m)

Hình 15: Mối quan hệ giữa khoảng cách các đĩa và đường kính tháp

_ Tính vận tốc hơi đi trong tháp:

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

- Nếu [σ] < 20 thì φ[σ] = 0,8

- Nếu [σ] > 20 thì φ[σ] = 1

+ Sức căng bề mặt của hỗn hợp được tính theo công thức:

_ Thay các giá trị tính được vào công thức sau để tính đường kính đoạn luyện:

* Đường kính đoạn luyện:

ta nội suy ở xtb1 = 0,72 suy ra txtb = 57,66 0C

_ Giải phương trình với hệ số A B n và Tc lần lượt là

: Acetone: A=0,28, B=0,26, n=0,3, Tc=508,2 K Benzene: A=0,3, B=0,27, n=0,28, Tc=562,16 K

Giải hệ phương trình đoạn chưng

Với r’1 = 396,36 (kg/kJ) và g’1 = 4478,58 (kg/h) ; G’1 = 5267,05 (kg/h) g’tb = 4135,36 (kg/h)

’x1(acetone) = 394,49 (kg/m3) và ’x2(benzene) = 417,49 (kg/m3)

 ’xtb = 412,80 (kg/m3)

Ta tính được ’ytb và ’xtb nên suy ra được ’gh = 0,64 (m/s)

_Giải phương trình với hệ số A n Tc lần lượt là:

Acetone: A=62,2, n=1,124, Tc=508,2 K Benzene: A=71,95, n=1,24, Tc=562,16 K

 ’acetone = 18,02 và ’benzene = 22,85 suy ra ’hh = 10,07 (dyn/cm)

vì ’hh < 20 nên [’] = 0,8 và để tránh tạo bọt ta chọn tốc độ hơi trung bình đi trong tháp:nên ’h = gh [’] = 0,51 (m/s)

 (’y*wy)tb = 0.92 ( kg/m3)

Vậy đường kính đoạn chưng D = 1,26 (m) và tốc độ hơi trung bình của đoạn chưng:

w’y = 0,36 (m/s)

Kết

luận : hai đường kính đoạn chưng và đoạn luyện không chênh lệch nhau quá lớn nên ta

chọn đường kính của toàn tháp là: Dt = 1.26 (m)

2 Tính toán chiều cao tháp chưng cất

Đối với tháp đĩa: H  Ntt.(h   ) 

H Trong đó:

+ Ntt: số đĩa thực tế (xác định số đĩa thực tế thông qua số đĩa lý thuyết và hiệu suất đĩa)

+ h: khoảng cách giữa các đĩa, chọn h = 0,3 m

+ : bề dày mỗi đĩa

+ ¯H: khoảng cách từ nắp đến đĩa cuối cùng của đoạn luyện, chọn 0,8 m

Trong đó:

+ Gxtb: lưu lượng lỏng đi trong đoạn luyện (kg/h), Gtb = (GR + G1)/2

+ zc : số ống chảy chuyền phụ thuộc vào đường kính tháp, chọn zc=1

+ ωc : tốc độ chất lỏng trong ống chảy chuyền, chọn ωc= 0.1-0.2m/s

+ x : khối lượng riêng (trung bình) của lỏng (kg/m3 ) (ρxtb)

Vậy đường kính ống chảy chuyền của đoạn luyện là: dc chưng = 0,17 (m)

a) Đường kính ống hơi của chóp: Chọn dh = 75mm

b) Số chóp phân bố trên mỗi đĩa: