Đồ án: môn học quá trình thiết bị thiết kế hệ thống tháp mâm chóp chưng

Dự án Đồ án môn học quá trình thiết bị thiết kế hệ thống tháp mâm chóp chưng cất hỗn hợp benzene có tính sáng tạo và khả năng triển khai

• Tác giả: Chẩu Thị Lưu Ly
• Người hướng dẫn: TS. Hồ Phương
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Hóa Học
• Đề tài: Thiết Kế Hệ Thống Tháp Mâm Chóp Chưng Cất Hỗn Hợp Benzene - Toluene
• Loại tài liệu: Đồ Án
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về môn học Quá trình Thiết bị Thiết kế Hệ thống

Môn học Quá trình Thiết bị Thiết kế Hệ thống là một môn học chuyên ngành quan trọng trong chương trình đào tạo kỹ sư công nghệ hóa học. Môn học này tập trung vào việc ứng dụng các nguyên lý cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng và tính toán thiết kế thiết bị trong các quá trình công nghệ hóa học thực tế. Đặc biệt, môn học này hướng dẫn sinh viên cách thiết kế và tối ưu hóa các hệ thống công nghệ chưng cất, một trong những quá trình tách chiết phổ biến nhất trong ngành công nghệ hóa học. Thông qua đồ án thiết kế, sinh viên có cơ hội áp dụng kiến thức lý thuyết vào giải quyết các bài toán công nghệ thực tế, phát triển kỹ năng tính toán chuyên sâu và khả năng lập bản vẽ kỹ thuật chuyên dụng.

1.1. Mục tiêu và ý nghĩa của môn học

Môn học nhằm trang bị cho sinh viên những kỹ năng thiết kế hệ thống tháp chưng cất hiệu quả. Sinh viên phải nắm vững các phương pháp tính toán cân bằng khối lượng và cân bằng nhiệt, áp dụng công thức thiết kế tháp mâm chóp. Qua đó, sinh viên có thể tính toán thông số công nghệ, kích thước thiết bị, và lựa chọn các thiết bị phụ trợ phù hợp trong quy trình công nghệ.

1.2. Vai trò trong công nghiệp hóa học hiện đại

Các hệ thống chưng cất hỗn hợp như chưng cất benzene-toluene là ứng dụng thực tiễn quan trọng trong ngành lọc dầu và hóa chất. Thiết kế hệ thống này đòi hỏi hiểu biết sâu sắc về tính chất vật lý hóa học, cân bằng pha, và hiệu suất tách chiết. Môn học chuẩn bị sinh viên để làm việc trong các vị trí kỹ sư thiết kế công nghệ.

II. Nội dung chính của đồ án thiết kế hệ thống tháp chưng cất

Đồ án môn học tập trung vào thiết kế hệ thống tháp mâm chóp chưng cất hỗn hợp benzene-toluene với năng suất nhập liệu 3000 kg/h. Công việc thiết kế bao gồm nhiều giai đoạn tính toán phức tạp, bắt đầu từ phân tích các tính chất của nguyên liệu benzene và toluene. Sinh viên phải lựa chọn quy trình công nghệ hợp lý, tính toán chi tiết cân bằng vật chất để xác định lượng sản phẩm đỉnh (95% benzene) và đáy (2% benzene). Tiếp theo là tính toán cân bằng năng lượng để xác định nhu cầu đốt nóng tại reboiler và thi lạnh tại condenser. Cuối cùng, sinh viên phải tính toán các thông số công nghệ của tháp, thiết kế cơ khí, và chọn lựa thiết bị phụ trợ như bơm, quạt, trao đổi nhiệt.

2.1. Cân bằng vật chất và năng lượng

Bước đầu tiên là thiết lập phương trình cân bằng khối lượng dựa trên nồng độ đầu vào (30% benzene), nồng độ sản phẩm đỉnh (95%) và đáy (2%). Tính toán xác định lưu lượng sản phẩm đỉnh và đáy từ 3000 kg/h nguyên liệu. Sau đó, lập phương trình cân bằng năng lượng để tính toán nhiệt độ hoạt động, áp suất hoạt động, và nhu cầu nhiệt cho reboiler và condenser, đảm bảo hiệu suất tách chiết tối ưu.

2.2. Tính toán thiết kế tháp chưng cất

Dựa trên kết quả cân bằng, sinh viên tính toán số mâm lý thuyết và số mâm thực tế của tháp. Xác định đường kính tháp dựa trên lưu lượng hơi, mật độ hơi, và tốc độ hơi cho phép. Thiết kế chi tiết các mâm chóp, hệ thống thu hồi ngưng lỏng, và bộ ổn định dòng chất lỏng. Tính toán độ rơi áp suất toàn tháp và công suất cần thiết cho các thiết bị phụ trợ.

III. Các công cụ và phương pháp tính toán chuyên dụng

Để hoàn thành đồ án, sinh viên sử dụng các phần mềm chuyên dụng hiện đại như phần mềm CAD để vẽ bản vẽ thiết bị và quy trình công nghệ. Các bảng tính tính chất vật lý hóa học của benzene và toluene được sử dụng để xác định điểm sôi, mật độ, độ nhớt, và căng bề mặt ở các nhiệt độ khác nhau. Sinh viên phải áp dụng các công thức thiết kế tháp chưng cất chuẩn trong các tài liệu chuyên môn. Ngoài ra, việc sử dụng sơ đồ cân bằng nhiệt, biểu đồ pha lỏng-hơi, và phương pháp tính toán hiệu suất mâm là những công cụ không thể thiếu. Các tính toán được trình bày một cách logic và chính xác trong phần thuyết minh đồ án, kèm theo các bảng dữ liệu, đồ thị minh họa.

3.1. Các phần mềm và công cụ tính toán

Sinh viên sử dụng phần mềm CAD chuyên dụng (như AutoCAD hoặc Solidworks) để lập bản vẽ quy trình công nghệ và bản vẽ thiết bị chính. Các bảng tính Excel được dùng để lập trình tính toán cân bằng khối lượng và năng lượng. Phần mềm tính chất vật lý hóa học giúp tra cứu dữ liệu chính xác. Các tài liệu tham khảo về thiết kế tháp chưng cất cung cấp công thức tiêu chuẩn và hệ số điều chỉnh cho các tính toán.

3.2. Tài liệu tham khảo và tiêu chuẩn kỹ thuật

Đồ án sử dụng các tiêu chuẩn thiết kế thiết bị áp lực, tiêu chuẩn vẽ bản vẽ kỹ thuật, và hướng dẫn tính toán chưng cất từ các tổ chức quốc tế. Các tài liệu chuyên khảo về quá trình chưng cất, sách giáo khoa công nghệ hóa học, và bài báo khoa học cung cấp phương pháp tính toán đáng tin cậy. Giáo viên hướng dẫn cung cấp các tài liệu chuẩn phục vụ thiết kế hệ thống.

IV. Yêu cầu đánh giá và hoàn thành đồ án

Quá trình hoàn thành đồ án được đánh giá theo nhiều tiêu chí quan trọng, bao gồm xác định chính xác yêu cầu thiết kế, lập quy trình công nghệ hợp lý, tính toán chi tiết các thông số thiết bị, và đánh giá tính khả thi của thiết kế. Sinh viên phải hoàn thành bản vẽ quy trình khổ A1 (gấp lại kẹp trong thuyết minh) và khổ A3 (đóng chung quyển), bản vẽ thiết bị chính theo cùng quy cách. Thuyết minh đồ án phải đầy đủ, chính xác và logic, trình bày rõ các bước tính toán, kết quả và kết luận. Sinh viên cũng phải lập kế hoạch triển khai thực hiện thiết kế, đánh giá điểm mạnh và yếu của phương án, và thực hiện đúng kế hoạch công việc được giáo viên giao. Tổng điểm của đồ án là 10 điểm, được đánh giá bởi giáo viên hướng dẫn và giáo viên phản biện.

4.1. Tiêu chí đánh giá và yêu cầu chất lượng

Đồ án được đánh giá toàn diện qua 8 tiêu chí: xác định yêu cầu thiết kế (1 điểm), lập quy trình công nghệ và tính toán thiết bị (2,5 điểm), đánh giá phù hợp (1 điểm), lập kế hoạch triển khai (1 điểm), lập bản vẽ (2 điểm), thuyết minh thiết kế (1 điểm), trách nhiệm cá nhân (0,5 điểm), thực hiện kế hoạch (1 điểm). Giáo viên hướng dẫn cho điểm lẻ tới 0,25 điểm. Sinh viên phải đạt được sự công nhân từ giáo viên hướng dẫn để được phép bảo vệ đồ án trước hội đồng.

4.2. Quy trình bảo vệ và phản biện đồ án

Sau khi hoàn thành đồ án, sinh viên được đánh giá bởi giáo viên phản biện theo 5 tiêu chí chính: lập quy trình và tính toán (3 điểm), lập bản vẽ (2 điểm), thuyết minh thiết kế (1 điểm), trình bày nội dung cốt lõi (1 điểm). Sinh viên phải trả lời các câu hỏi chuyên môn của hội đồng bảo vệ, chứng tỏ nắm vững kiến thức về quá trình chưng cất và thiết kế tháp. Kết quả cuối cùng là điểm tổng hợp từ đánh giá quá trình và bảo vệ đồ án.

Trích đoạn nội dung tài liệu

LỜI MỞ ĐẦU Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp hóa, hiện đại hóa, hóa chất đang dần đóng vai trò quan trọng trong các nhà máy sản xuất. Để có thể cung cấp một cách đầy đủ và kịp thời cho các nhà máy, ngành công nghiệp sản xuất hóa chất cần có các phương pháp để sản xuất các sản phẩm có độ tinh khiết cao nhất có thể. Những quy trình và phương pháp sản xuất được lựa chọn tùy theo sản phẩm. Đối với hỗn hợp benzene – toluene là hệ không có điểm đẳng phí, có thể lựa chọn phương pháp chưng cất là phương pháp sản xuất phù hợp nhất.

Trong đồ án môn học Quá trình thiết bị này, nhóm chúng em lựa chọn đề tài Thiết kế hệ thống tháp mâm chóp chưng cất hệ benzene – toluene ở áp suất thường với các thông số ban đầu như: năng suất nhập liệu 3000 kg/h, nồng độ nhập liệu 30% benzene theo khối lượng, nồng độ sản phẩm đỉnh 95% benzene theo khối lượng, nồng độ sản phẩm đáy 2% benzene theo khôi lượng. Giới thiệu về chưng cất 1. Khái niệm chưng cất Chưng cất là quá trình phân riêng các cấu tử của hỗn hợp lỏng cũng như hỗn hợp (hơi) khí - lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp (nghĩa là khi ở cùng nhiệt độ, áp suất hơi bão hoà của các cấu tử khác nhau). Thay vì đưa vào trong hỗn hợp một pha mới để tạo nên sự tiếp xúc giữa hai pha như trong quá trình hấp thu hoặc nhả khí, trong quá trình chưng cất pha mới được tạo nên bằng sự bốc hơi hoặc ngưng tụ.

Chưng cất và cô đặc khá giống nhau, tuy nhiên sự khác nhau cơ bản nhất của 2 quá 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 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 hỗn hợp ban đầu có bao nhiêu cấu tử sẽ thu được bấy nhiêu sản phẩm. Sau quá trình chưng cất trong hệ hai cấu tử benzene – toluene này ta sẽ thu được sản phẩm đỉnh chủ yếu là những cấu tử có độ bay hơi lớn (benzene) và một phần nhỏ cấu tử có độ bay hơi thấp (toluene). Sản phẩm đáy chủ yếu là những cấu tử có độ bay hơi thấp (toluene) và một phần nhỏ cấu tử có độ bay hơi lớn (benzene).

Các phương pháp chưng cất Trong thực tế thường sử dụng các phương pháp chưng cất sau đây: Chưng cất đơn giản: Là phương pháp thường được ứng dụng trong các trường hợp: Khi nhiệt độ sôi của hai 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. 2 Chưng cất bằng hơi nước trực tiếp: Đây là phương pháp dùng để tách các hỗn hợp gồm các chất khó bay hơi và tạp chất không bay hơi, thường được ứng dụng trong trường hợp chất được tách không tan trong nước, là phương pháp được dùng trong trường hợp cần hạ thấp nhiệt độ sôi của cấu tử. Chưng cất ở áp suất thấp: Thường được dung cho hợp chất có chứa các cấu tử dễ bị phân hủy hoặc biến tính ở nhiệt độ cao hoặc trong trường hợp nhiệt độ sôi của cấu tử quá cao.

Ở áp suất thấp nhiệt độ sôi, nhiệt độ bay hơi của các cấu tử và hỗn hợp thấp hơn ở áp suất thường, đảm bảo được các yêu cầu phía trên. Chưng cất ở áp suất cao: Được dùng cho hỗn hợp cấu tử không hóa lỏng ở áp suất thường. Thiết bị chưng cất Trong sản xuất, người ta thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để tiến hành chưng 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 của một lưu chất này vào lưu chất kia. Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta có các loại tháp mâm, nếu pha lỏng phân tán vào 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 tạo khác nhau, trên đó pha lỏng và pha hơi được tiếp xúc trực tiếp 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 bích hay hàn. Vật chêm được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp sau: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự. So sánh ưu nhược điểm của các loại tháp: Bảng 1.

So sánh ưu nhược điểm của các tháp chưng cất [1] 3 Tháp chêm Tháp mâm xuyên lỗ Tháp mâm chóp Cấu tạo đơn giản. Hiệu suất tương đối Hiệu suất truyền khối cao. Trở lực thấp. Hoạt động ổn định, ít tiêu Ưu Trở lực thấp.

hao năng lượng hơn nên Làm việc được với điểm có số mâm ít hơn. chất lỏng bẩn (dùng Hoạt động khá ổn đệm cầu có ρ ≈ ρchất định. Dễ dàng theo dõi và kiểm lỏng). soát quá trình chưng cất.

Hiệu suất truyền khối Không làm việc được Cấu tạo phức tạp, tiêu tốn thấp do có hiệu ứng với chất lỏng bẩn. Trở lực khá cao. Trở lực lớn. Độ ổn định kém do sự Nhược Yêu cầu lắp đặt khắt Không làm việc với chất phân bố các pha theo điểm khe.

tiết diện tháp không đều. Lắp đĩa thật phẳng. Yêu cầu lắp đặt khắt khe Lắp đĩa thật phẳng. Khó vận hành.

Thiết bị nặng. Như vậy, qua các thông tin thu nhận được ở phần tổng quan, ta nên sử dụng tháp mâm chóp để chưng cất hỗn hợp benzene và toluene vì tháp mâm chóp mang lại hiệu suất truyền khối cao, hoạt động ổn định và dễ dàng theo dõi, kiểm soát quá trình chưng cất. Giới thiệu về nguyên liệu 1. Benzene Benzene là một hợp chất mạch vòng, ở dạng lỏng, không màu và có mùi thơm nhẹ.

Benzene không phân cực, vì vậy tan tốt trong các dung môi hữu cơ không phân cực và tan rất ít trong nước. Trước đây người ta thường sử dụng benzene làm dung môi. Tuy 4 nhiên sau đó người ta phát hiện ra rằng nồng độ benzene trong không khí chỉ cần thấp khoảng 1 ppm cũng có khả năng gây ra bệnh bạch cầu, nên ngày nay benzene được sử dụng hạn chế hơn. - Công thức phân tử: C6H6 - Nhiệt độ sôi: 80,1 oC - Khối lượng mol: 78,11 g/mol Tra tài liệu tham khảo [2], tại 20 oC được các thông số của benzene như sau: - Khối lượng riêng: 879 (kg/m3) (Bảng I.101 trang 91) - Nhiệt dung riêng: 1730 (J/kg) (Bảng I.

Toluene Toluene là một hợp chất mạch vòng, ở dạng lỏng và có tính thơm, công thức phân tử tương tự như benzene có gắn thêm nhóm –CH3. Toluene không phân cực nên tan tốt trong benzen. Toluene có tính chất dung môi tương tự benzene nhưng độc tính thấp hơn nhiều, nên ngày nay thường được sử dụng thay benzene làm dung môi trong phòng thí nghiệm và trong công nghiệp. - Công thức phân tử: C6H5CH3 - Nhiệt độ sôi: 111 oC - Khối lượng mol: 92,13 g/mol Tra tài liệu tham khảo [2], tại 20 oC được các thông số của toluene như sau: - Khối lượng riêng: 866 (kg/m3) (Bảng I.101 trang 92) - Nhiệt dung riêng: 1710 (J/kg) (Bảng I.

Hệ benzene – toluene 5 Tham khảo tài liệu tham khảo [2] trang 148), ta có bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi ở 760 mmHg của hỗn hợp hai cấu tử benzene – toluene (%mol): Bảng 1. Thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp benzene – toluene ở 760 mmHg x 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 y 0 11,8 21,4 38 51,1 61,9 71,2 79 85,4 91 95,9 100 t (oC) 110,6 108,3 106,1 102,2 98,6 95,5 92,8 89,4 86,8 84,4 82,3 80,2 100 90 80 70 60 y, %mol 50 40 30 20 10 0 0 20 40 60 80 100 x, %mol Hình 1. Đồ thị cân bằng lỏng - hơi 2 cấu tử benzen - toluen (x-y) 6 115 110 105 Nhiệt độ (oC) 100 95 90 85 80 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Phần mol benzene Hình 1. Đồ thị thành phần – nhiệt độ của hệ benzene - toluene 7 CHƯƠNG 2.

QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 2. Quy trình công nghệ hệ thống chưng cất Hình 2. Sơ đồ quy trình công nghệ chưng cất hệ benzene – toluene 1. Bồn chứa nguyên liệu 8.

Bồn cao vị 10. Tháp chưng cất 5. Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy 12. Bồn chứa sản phẩm đáy 13.

Thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu 14. Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 8 15. Thiết bị làm nguội san sản phẩm đỉnh 17. Ống chỉ mực 16.

Bồn chứa sản phẩm đỉnh 2. Thuyết minh quy trình công nghệ Đầu tiên, hỗn hợp benzene – toluene có nồng độ 30% benzene (theo phần khối lượng), nhiệt độ hỗn hợp là 30 oC tại bồn chứa nguyên liệu (1) được bơm ly tâm (2) bơm lên bồn cao vị (3). Tiếp đó, hỗn hợp theo đường ống dẫn vào thiết bị trao đổi nhiệt với dòng sản phẩm đáy (5). Sau khi trao đổi nhiệt với dòng sản phẩm đáy, hỗn hợp nhập liệu tiếp tục đi vào thiết bị gia nhiệt (7) để gia nhiệt đến nhiệt độ lỏng sôi rồi được dẫn vào tháp chưng cất (11) tại vị trí nhập liệu và được kiểm soát bằng lưu lượng kế (9).

Tại mâm nhập liệu, hỗn hợp lỏng sôi được trộn với phần lỏng của phần cất trong tháp chảy xuống. Bên trong tháp diễn ra quá trình chưng cất với dòng lỏng chảy từ trên xuống, còn dòng hơi bay từ dưới lên, hai dòng này tiếp xúc và trao đổi vật chất và năng lượng giữa 2 pha. Một phần hơi mất năng lượng ngưng tụ, đi vào pha lỏng và chảy xuống đáy tháp; một phần lỏng nhận năng lượng, đi vào pha hơi và tiếp tục đi lên đỉnh tháp. Dòng hơi sau khi ra khỏi đỉnh tháp sẽ được dẫn vào thiết bị ngưng tụ (14) và được ngưng tụ thành dạng lỏng.