Tính toán thiết kế thiết bị nồi đun kettle của hệ thống thiết bị tháp mâm xuyên lỗ chưng cất hỗn hợp benzene – toluene với năng suất nhập liệu 3000kg/h

. Tên bài tập lớn: Tính toán thiết kế thiết bị nồi đun kettle của hệ thống thiết bị tháp mâm xuyên lỗ chưng cất hỗn hợp Benzene – Toluene với năng suất nhập liệu 3000kg/h. 2. Nhiệm vụ bài tập lớn (yêu cầu về nội dung và số liệu ban đầu) a. Số liệu ban đầu: - Nồng độ đầu 35% phần mol benzene. - Nồng sản phẩm đỉnh 80% phần mol benzene. - Nồng sản phẩm đáy 9% phần mol benzene. - Các thống số khác tự chọn. b. Yêu cầu: - Tổng quan và quy trình công nghệ. - Cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng. - Tính toán thiết bị chính. - Tính toán thiết bị phụ.

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

BÀI TẬP LỚN MÔN: QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

Đề Tài :

THIẾT KẾ THIẾT BỊ NỒI ĐUN KETTLE CỦA HỆ THỐNG THIẾT BỊ THÁP MÂM XUYÊN LỖ CHƯNG CẤT HỖN HỢP BENZEN - TOLUEN

GVHD: NGUYỄN MINH TIẾN SVTH: TRƯƠNG KIM LAN MSSV: 16026541

LỚP: DHHO12C

KHOA: CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC

BỘ MÔN: MÁY & THIẾT BỊ

HỌ VÀ TÊN: TRƯƠNG KIM LAN MSSV: 16026541 LỚP HP:

1 Tên bài tập lớn:

Tính toán thiết kế thiết bị nồi đun kettle của hệ thống thiết bị tháp mâm xuyên lỗ chưng cất hỗn hợp Benzene – Toluene với năng suất nhập liệu 3000kg/h.

2 Nhiệm vụ bài tập lớn (yêu cầu về nội dung và số liệu ban đầu)

a Số liệu ban đầu:

- Nồng độ đầu 35% phần mol benzene.

- Nồng sản phẩm đỉnh 80% phần mol benzene.

- Nồng sản phẩm đáy 9% phần mol benzene.

- Các thống số khác tự chọn.

b Yêu cầu:

- Tổng quan và quy trình công nghệ.

- Cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng.

- Tính toán thiết bị chính.

- Tính toán thiết bị phụ.

………

c Bản vẽ:

- Bản vẽ qui trình công nghệ (1 bản A1).

- Bản vẽ chi tiết thiết bị chính (1 bản A1).

3 Ngày giao nhiệm vụ bài tập lớn:

4 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 25/11/2019

5 Họ và tên người hướng dẫn: ThS Nguyễn Minh Tiến

Tp Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 08 năm 2019.

(Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên)

Trần Hoài Đức Nguyễn Minh Tiến

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Phần đánh giá Nội Dung thực hiện:

Hình thức trình bày:

Tổng hợp kết quả:

Điểm bằng số: Điểm bằng chữ:

Tp.HCM, ngày……tháng……năm……

TỔ TRƯỞNG BỘ MÔN GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên)

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Phần đánh giá Nội Dung thực hiện:

Hình thức trình bày:

Tổng hợp kết quả:

Điểm bằng số: Điểm bằng chữ:

Tp.HCM, ngày……tháng……năm……

(Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên)

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 6

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT 7

1.1 Lý thuyết về chưng cất 7

1.1.1 Khái niệm 7

1.1.2 Phương pháp chưng cất 8

1.2 Thiết bị chưng cất 8

1.3 Giới thiệu về nguyên liệu 9

1.3.1 Benzen & Toluen 9

1.3.2 Các phương thức điều chế 10

1.3.3 Hỗn hợp Benzen – Toluen 11

CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CHƯNG CẤT BENZENE – TOLUENE 12

2.1 Quy trình công nghệ tổng quát 12

2.2 Thuyết minh quy trình 13

CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT 14

3.1 Các thông số ban đầu 14

3.2 Xác định suất lượng sản phẩm đỉnh va sản phẩm đáy 14

3.3 Xác định chỉ số hoàn lưu thích hợp 16

3.3.1 Chỉ số hoàn lưu tối thiểu 16

3.3.2 Chỉ số hoàn lưu làm việc 16

3.3.3 Phần cất 19

3.3.4 Phần chưng 20

CHƯƠNG 4: CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG 22

4.1 Thiết bị gia nhiệt nhập liệu 22

4.2 Thiết bị ngưng tụ 23

4.3 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 24

4.4 Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy 25

4.5 Cân bằng năng lượng cho toàn tháp 26

CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ NỒI ĐUN 28

5.1 Tính toán kích thước chính của thiết bị 28

5.1.1 Lựa chọn thiết bị 28

5.1.2 Suất lượng hơi nước cần dùng 28

5.1.3 Xác định bề mặt truyền nhiệt 28

5.1.4 Xác định ∆ t log 28

5.1.5 Xác định hệ số truyền nhiệt K 29

5.1.6 Số ống truyền nhiệt: 34

5.1.7 Chiều dài và đường kính trong của nồi 35

5.2 Tính toán cơ khí 35

5.2.1 Bề dày thân nồi 36

5.2.2 Bề dày đáy và nắp thiết bị 36

5.2.3 Chọn mặt bích thiết bị nồi đun 37

5.2.4 Đường kính ống dẫn 38

5.2.5 Tính toán chân đỡ thiết bị 40

TÀI LIỆU THAM KHẢO 43

LỜI NÓI ĐẦU

Công nghệ hóa học cũng như các sản phẩm khác của nó có ảnh hưởng rất lớn đếnnhiều ngành sản xuất khác Trong đó benzen và toluene là những sản phẩm kháđược quan tâm Trong công nghiệp, hai chất này thường được sản xuất để có đượcnồng độ cao, nhằm thỏa mãn nhu cầu sử dụng và tiết kiệm chi phí vận chuyển, lưutrữ

Ngày nay, các phương pháp được dùng để nâng cao độ tin khiết: trích ly, chưngcất, cô đặc, hấp phụ… Tùy theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có sự lựachọn phương pháp thích hợp Đối với hệ benzene - toluen là gồm hai cấu tử hòatan lẫn hoàn toàn, nên ta chọn phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiếtcho sản phẩm

Nhiệm vụ của đề tài này là tính toán thiết kế thiết bị nồi đun kettle của hệ thốngthiết bị tháp mâm xuyên lỗ chưng cất hỗn hợp benzene - toluen với năng suấtnhập liệu là 3000kg/h, nồng độ dòng nhập liệu là 35% phần mol benzene, nồng

độ sản phẩm đỉnh là 80% phần mol benzen và nồng độ sản phẩm đáy là 9% phầnmol benzen

Đồ án môn học này được thầy Nguyễn Minh Tiến trực tiếp hướng dẫn thực hiện,

em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn và giúp đỡ của thầy trong suốt quá trình

em nghiên cứu và thực hiện đồ án

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH

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 trongquá trình cô đặc thì chỉ 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 sảnphẩm:

 Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt độ sôi nhỏ)

 Sản phẩm đáy 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

1.1.2 Phương pháp chưng cất

Các phương pháp chưng cất được phân loại theo :

 Cấp nhiệt gián tiếp

Vậy: Đối với hệ Benzen – Toluen, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục ở áp suất thường.

1.2 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 tích tiếp xúc pha phải lớn Điều này phụ thuộc vào mức độ phân tán củamột lưu chất này vào lưu chất kia Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta có cácloại tháp mâm, nếu pha lỏng phân tán vào pha khí ta có tháp chêm, tháp phun,… Ởđây 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 cấutạo 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 mặtbích hay hàn Vật chêm được cho vào tháp theo một trong hai phương phápsau : xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự

Bảng 1 Ưu nhược điểm của các loại tháp chưng cất

1.3 Giới thiệu về nguyên liệu

1.3.1 Benzen & Toluen

Benzen là một hợp chất mạch vòng, ở dạng lỏng không màu và có mùi thơm nhẹ.Côngthức phận tử là C6H6 Benzen không phân cực, vì vậy tan tốt trong các dung môi hữu cơkhông phân cực và tan rất ít trong nước Trước đây người ta thường sử dụng benzen làmdung môi Tuy nhiên sau đó người ta phát hiện ra rằng nồng độ benzen trong không khíchỉ cần thấp khoảng 1ppm cũng có khả năng gây ra bệnh bạch cầu, nên ngày nay benzenđược sử dụng hạn chế hơn.

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 củabenzen

CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CHƯNG CẤT

BENZENE – TOLUENE

1 Bồn chứa nguyên liệu

9 Thiết bị đun sôi đáy tháp ( Nồi đun Kettle)

10 Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy

11 Bồn chứa sản phẩm đáy

2.2 Thuyết minh quy trình

Hỗn hợp Benzene – Toluene có nồng độ benzene là 35% (phần mol), nhiệt độnguyên liệu lúc đầu là 250C tại bồn chứa nguyên liệu (1), được bơm (2) bơm lênthiết bị đun sôi dòng nhập liệu (3) được gia nhiệt tới nhiệt độ sôi trong thiết bịtruyền nhiệt Sau đó hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất (4) ở đĩa nhập liệu vàbắt đầu quá trình chưng cất Lưu lượng dòng nhập liệu được kiểm soát qua lưulượng kế

Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn cất của tháp chảyxuống Trong tháp, hơi đi dưới lên gặp lỏng đi từ trên xuống Ở đây có sự tiếp xúc

và trao đổi giữa hai pha với nhau Dòng lỏng chuyển động trong phần chưng càngxuống phía dưới càng giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi tạo nên

từ nồi đun lôi cuốn cấu tử dễ bay hơi Nhiệt độ càng lên trên càng thấp, nên khihơi đi qua các đĩa từ dưới lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao là benzene sẽ ngưng tụlại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử benzene chiếm nhiềunhất (nồng độ 80% phần mol) Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ (5) được ngưng tụhoàn toàn Sản phẩm đi qua thiết bị trao đổi dòng (6) một phần chất lỏng ngưng tụ

đi qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (7), rồi được đưa qua bồn chứa sản phẩmđỉnh (8) Phần còn lại của chất lỏng ngưng tụ được hoàn lưu về tháp ở đĩa trêncùng với tỉ số hoàn lưu thích hợp và được kiểm soát bằng lưu lượng kế Cuối cùng

ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng hầu hết là cấu tử khó bay hơi (nước) Hỗnhợp lỏng ở đáy có nồng độ benzene là 9% phần mol, còn lại là nước dung dịchlỏng ở đáy đi ra khỏi tháp vào nồi đun (9) Trong nồi đun dung dịch lỏng một phần

sẽ bốc hơi cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại ra khỏi nồi đunđược cho qua thiết bị làm nguội sản phẩm đáy (10) rồi sau đó vào bồn chứa sảnphẩm đáy (11)

Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là aceton, sản phẩm đáy sau khitrao đổi nhiệt với nhập liệu được thải bỏ

CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT3.1 Các thông số ban đầu

- Năng suất theo nhập liệu : 3000 kg/giờ

- Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong nhập liệu : 35% mol benzen

- Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đỉnh : 80% mol benzen

- Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy : 9% mol benzen

- Nguyên liệu vào hệ thống ở nhiệt độ sôi

- Quá trình làm việc trong thiết bị ở áp suất thường

- Loại thiết bị sử dụng tháp mâm xuyên lỗ

- Khối lượng phân tử của benzen và toluene : MB = 78, MT = 92

- F, D, W: Lượng nguyên liệu đầu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy

- aF, aD, aW: Phần khối lượng của Benzen ở hỗn hợp đầu, đỉnh và đáy

- xF, xD, xW: Phần mol của Benzen trong pha lỏng ở hỗn hợp đầu, đỉnh

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0

Hình 1 Đồ thị cân bằng Benzen – Toluen

3.3.1 Chỉ số hoàn lưu tối thiểu

Dựa vào đồ thị ta có x F=0.35 =>y∗¿F=0.567¿

Trong đó lày∗¿F¿ là nồng độ cân bằng ứng với x F

Chỉ số hoàn lưu cực tiểu được xác định theo phương pháp đại số qua biểu thức sau:

R min=x D−y F¿

y¿F

−x F=

0.8−0.5670.567−0.35=1.073

3.3.2 Chỉ số hoàn lưu làm việc

Được xác định qua tỷ số hoàn lưu tối thiểu

R = b.RminTrong đó: hệ số dư b=1,2 ÷ 2

Với các giá trị Ri > Rmin ta được các giá trị tung độ bi tương ứng

bi =R x P

Vẽ các đường làm việc của đoạn luyện ứng với các giá trị bi đó Từ đó qua đồ thị tatìm được các gía trị Ni tương ứng từ các gía trị Ni tìm được ta thành lập các giá trịtương ứng Nlt (Ri +1)

19.5 20 20.5 21 21.5 22 22.5 23 23.5

Hình 2 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa R i và N lt (R i +1)

Sau quá trình khảo sát đồ thị ta tìm được tỉ số hồi lưu thích hợp Rlt

Hình 3 Đồ thị xác định số mâm lí thuyết hệ benzene – toluene

Từ đồ thị ta xác định được: R =1,8 ; b = 1,7 ; N = 7,5 mâm

Lưu lượng dòng hoàn lưu:

1,81,8+1x +

0,091,8+ 1

= 0,643x + 0,032

Phương trình làm việc đoạn chưng

Gọi f là suất lượng mol dòng nhập liệu trên suất lượng mol sản phẩm đỉnh:

1,8+2,73

1,8+1 x−

2,73−11,8+1 0,09

 g đ: lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (Kg/h)

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

gđ = P.(R +1) = 12,61.(1,8+ 1) = 35,308 (Kmol/h)

 gđ = 35,308 80,79 = 2852,53 (Kg/h)

 Xác định g1

Lượng hơi đi vào đoạn luyện, lượng hơi g1 và hàm lượng hơi y1 và lượng lỏng G1

đối với đĩa thứ nhất của đoạn luyện được xác định theo hệ phương trính cân bằngvật liệu và cân bằng nhiệt lượng sau:

{ g1=G 1+P

g1y1=G1x1+P x D

g1r1=gd r d

Trong đó:

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

 r d: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi ra ở đỉnh tháp

T1=T F=96,9°C , ta được:

Ẩn nhiệt hóa hơi của benzene: r B = 381,1 (KJ/kmol)

Ẩn nhiệt hóa hơi của toluen: r T = 369,996 (KJ/kmol)

Suy ra: r1=r B y1+(1− y1) r T = 369,996 – 11,104y1(KJ/kmol)

 Tính r d

Với x D= 0.8, nội suy từ hình 1, t D = 84,4°C, y D = 0.91

t D = 84,4°C, Tra bảng 1.212, trang 254, [1], ta được

Ẩn nhiệt hóa hơi của benzen: r B = 390,34 (KJ/kmol)

Ẩn nhiệt hóa hơi của toluen: r T = 376,28(KJ/kmol)

Giải hệ phương trình ta được:

 g ' n: lượng hơi ra khỏi đoạn chưng (Kg/h)

 g '1: lượng hơi đi vào đoạn chưng (Kg/h)

 G '1 : lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn chưng

 r '1 : ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng

 Tính r’ 1 :

x W =0,09 tra đồ thị hệ cân bằng ta có: y w=0,1948

Suy ra: M tbg' = 78.y w +(1- y w).92

= 78.0,1948+92.(1-0,1948) = 89,27 (Kg/kmol) t '1 = t w = 106,54°C,

Tra bảng 1.212, trang 254, [1], ta được:

Ẩn nhiệt hóa hơi của benzene: r’B = 373,496(KJ/kmol)

Ẩn nhiệt hóa hơi của toluene: r’T = 364,399 (KJ/kmol)

Suy ra: r’1= r’.yW + (1-yW).r’N1

CHƯƠNG 4: CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG

4.1 Thiết bị gia nhiệt nhập liệu

QF = GhF rhF = F´ CpF.( tSF - tF) + Qm

Trong đó:

QF là lượng nhiệt cần cung cấp cho thiết bị nhập liệu

GhF là lượng hơi gia nhiệt nhập liệu

rhF là nhiệt hóa hơi của dòng nhập liệu

tSF = 96,9oC là nhiệt độ sôi của dòng nhập liệu tại xF = 0.35

tF = 250C là nhiệt độ đầu của hỗn hợp vào thiết bị gia nhiệt

´

Flưu lượng khối lượng của dòng nhập liệu kg/h

CpF nhiệt dung riêng đẳng áp của thiết bị gia nhiệt J/kg.C

Qm là lượng nhiệt tổn thất ra môi trường

Ta có: t = t SF+t F

2 = 96,9+252 = 60,950CNhiệt dung riêng của Benzene và Toluene tra bảng I.153 trang [ 171 – 172] theophương thức nội suy, ta được:

Qnt là năng lượng tại thiết bị ngưng tụ

D là lưu lượng khối lượng của dòng sản phẩm đỉnh kg/h

R tỉ số hoàn lưu

rD là nhiệt lượng hóa hơi của sản phẩm đỉnh

Gn suất lượng nước cần dùng

Nhiệt dung riêng của nước Cn= 4,186 kJ/kg.độ

Qm là lượng nhiệt tổn thất ra môi trường

Chọn nhiệt độ nước giải nhiệt là tđ = 30oC, tc = 40oC

Với tSD = 84,4oC là nhiệt độ sôi sản phẩm đỉnh tại xD = 0.8

Ta có: t = t SD+t D

2 = 84,4+302 = 57,20CNhiệt hóa hơi của Benzene và Toluene tra bảng I.212 trang [ 254] theo phươngthức nội suy, ta được:

QD là năng lượng cần dùng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh

CpD Nhiệt dung riêng đẳng áp của thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh

Gn Suất lượng nước cần dùng

Nhiệt dung riêng của nước Cn= 4,186 kJ/kg.độ

Qm là lượng nhiệt tổn thất ra môi trường

Chọn nước làm lạnh đi trong ống với nhiệt độ đầu tđ = 30oC, nhiệt độ cuối:

tc=40oC

Với tSD = 84,4oC là nhiệt độ sôi sản phẩm đỉnh tại xD = 0.8

Ta có:

t = t SD+t D

2 = 84,4+302 = 57,20CNhiệt dung riêng của Benzene và Toluene tra bảng I.153 trang [ 171 – 172] theophương thức nội suy, ta được:

4.4 Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy

Qw =W Cpw.( tSw– tw) = Gn Cn (tc - tđ) + QmTrong đó:

Qw là năng lượng cần dùng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đáy

Cpw Nhiệt dung riêng đẳng áp của thiết bị làm nguội sản phẩm đáy

Gn Suất lượng nước cần dùng

Nhiệt dung riêng của nước Cn= 4,186 kJ/kg.độ