Đồ Án Môn Học: Thiết Kế Tháp Chưng Cất Hỗn Hợp Benzen-Toluen

• Trường học: Trường Đại Học Kỹ Thuật
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Hóa Học
• Đề tài: Thiết Kế Tháp Chưng Cất Hỗn Hợp Benzen-Toluen
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Khái niệm
• 1.2. Phương pháp chưng cất
• 1.3. Thiết bị chưng cất
• 1.4. Giới thiệu về nguyên liệu
• 1.5. Các phương thức điều chế
• 1.6. Hỗn hợp benzen — toluen
• 2. CHƯƠNG 2: SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ VÀ THUYẾT MINH CHI TIẾT
• 2.1. Sơ đồ nguyên lý
• 3. CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
• 3.1. Cân bằng vật chất
• 3.2. Cân bằng năng lượng
• 4. CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH
• 4.1. Tính đường kính tháp
• 4.2. Chiều cao thân tháp
• 4.3. Tính trở lực của tháp
• 5. CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ
• 5.1. Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy
• 5.2. Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh
• 5.3. Thiết bị đun sôi dòng nhập liệu
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Toàn cảnh quy trình thiết kế tháp chưng cất Benzen Toluen

Thiết kế tháp chưng cất hỗn hợp Benzen-Toluen là một bài toán kinh điển trong ngành kỹ thuật hóa học, đóng vai trò nền tảng trong nhiều đồ án quá trình thiết bị. Quá trình này dựa trên nguyên lý chưng cất phân đoạn, một phương pháp hiệu quả để tách các cấu tử trong một hỗn hợp lỏng dựa vào sự khác biệt về độ bay hơi. Benzen và Toluen tạo thành một hệ hai cấu tử gần lý tưởng, làm cho việc phân tách bằng chưng cất trở nên khả thi và được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp hóa chất. Mục tiêu chính của việc thiết kế là xác định các thông số công nghệ và kích thước cơ khí của tháp để đạt được độ tinh khiết sản phẩm mong muốn với chi phí vận hành tối ưu. Quá trình này đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về cân bằng lỏng-hơi, động lực học chất lỏng và các nguyên tắc truyền nhiệt, truyền khối. Một bản thuyết minh đồ án hoàn chỉnh không chỉ trình bày các bước tính toán mà còn phải lý giải được việc lựa chọn phương pháp và thiết bị phù hợp, từ tháp mâm chóp đến tháp đệm, cũng như các thiết bị phụ trợ quan trọng như thiết bị ngưng tụ và thiết bị đun sôi lại (reboiler).

1.1. Nguyên lý chưng cất phân đoạn hệ hai cấu tử lý tưởng

Nguyên lý cốt lõi của chưng cất phân đoạn là sự tiếp xúc liên tục giữa pha lỏng và pha hơi đi ngược chiều nhau trong tháp. Khi hỗn hợp lỏng được đun sôi, pha hơi bay lên sẽ giàu cấu tử dễ bay hơi hơn (Benzen, có nhiệt độ sôi 80.1°C). Hơi này di chuyển lên các mâm cao hơn, tiếp xúc với pha lỏng (dòng hoàn lưu) đang chảy xuống. Tại mỗi mâm, một phần hơi ngưng tụ, tỏa nhiệt để làm bay hơi một phần chất lỏng. Quá trình trao đổi chất này làm cho nồng độ Benzen trong pha hơi ngày càng tăng khi lên đỉnh tháp và nồng độ Toluen (nhiệt độ sôi 110.6°C) trong pha lỏng ngày càng tăng khi xuống đáy tháp. Sự chênh lệch nhiệt độ và thành phần trên mỗi mâm được mô tả qua giản đồ cân bằng lỏng-hơi, nền tảng cho mọi tính toán thiết kế. Việc duy trì dòng hoàn lưu từ thiết bị ngưng tụ về đỉnh tháp là yếu tố then chốt để tạo ra sự phân tách hiệu quả.

1.2. Phân tích tính chất vật lý của hệ Benzen và Toluen

Sự thành công của quá trình thiết kế phụ thuộc lớn vào độ chính xác của các dữ liệu về tính chất vật lý Benzen và tính chất vật lý Toluen. Benzen (C6H6) và Toluen (C7H8) là hai hydrocacbon thơm có cấu trúc tương tự nhau, tạo thành một hỗn hợp gần lý tưởng. Các thông số quan trọng cần được tra cứu và sử dụng bao gồm: khối lượng phân tử, nhiệt độ sôi ở áp suất làm việc (thường là 1 atm), nhiệt dung riêng, ẩn nhiệt hóa hơi, khối lượng riêng, độ nhớt và sức căng bề mặt. Các dữ liệu này thay đổi theo nhiệt độ và thành phần hỗn hợp. Theo tài liệu "Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất", các giá trị này là đầu vào không thể thiếu cho các phương trình cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng, ảnh hưởng trực tiếp đến việc tính toán nhiệt lượng cần cung cấp và lấy đi, cũng như các thông số thủy động lực học bên trong tháp.

1.3. So sánh lựa chọn giữa tháp mâm chóp và tháp đệm

Việc lựa chọn loại tháp là một quyết định quan trọng. Tháp mâm chóp, được sử dụng trong đồ án tham khảo, có ưu điểm là hoạt động ổn định trong một dải lưu lượng rộng và hiệu suất cao. Cấu tạo chóp giúp ngăn chất lỏng chảy ngược xuống mâm dưới khi lưu lượng hơi thấp. Tuy nhiên, nhược điểm là có trở lực lớn và kết cấu phức tạp. Ngược lại, tháp đệm có cấu tạo đơn giản và trở lực thấp hơn, nhưng hiệu suất có thể bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng thành và khó làm việc với chất lỏng bẩn. Đối với hệ Benzen-Toluen, một hệ tương đối sạch và không tạo bọt nhiều, cả hai loại tháp đều có thể sử dụng. Tuy nhiên, tháp mâm chóp thường được ưu tiên trong các đồ án học thuật do tính toán thủy động lực học rõ ràng và mô hình hóa dễ dàng hơn, cho phép kiểm soát quá trình chặt chẽ hơn.

II. Phương pháp McCabe Thiele trong thiết kế tháp chưng cất

Phương pháp đồ thị McCabe-Thiele là công cụ nền tảng và trực quan nhất để thiết kế tháp chưng cất hỗn hợp Benzen-Toluen. Phương pháp này đơn giản hóa bài toán bằng cách chấp nhận một số giả thiết quan trọng, như suất lượng mol của các dòng không đổi trong mỗi đoạn của tháp (giả thiết Lewis-Sorel). Dựa trên đường cong cân bằng của hệ, phương pháp này cho phép xác định số mâm lý thuyết cần thiết để đạt được độ phân tách yêu cầu. Quy trình bắt đầu bằng việc thiết lập các đường làm việc cho đoạn luyện và đoạn chưng, phụ thuộc vào nồng độ sản phẩm, trạng thái nhập liệu và tỷ số hoàn lưu. Giao điểm của các đường làm việc và đường cân bằng sẽ hình thành các bậc thang, mỗi bậc tương ứng với một mâm lý thuyết. Đây là bước không thể thiếu trong bất kỳ thuyết minh đồ án nào về chưng cất, cung cấp cơ sở để tiến tới các bước tính toán cơ khí chi tiết hơn.

2.1. Xây dựng đường cong cân bằng và tỷ số hoàn lưu tối thiểu

Bước đầu tiên của phương pháp McCabe-Thiele là xây dựng đường cong cân bằng (đồ thị y-x) cho hệ Benzen-Toluen ở áp suất làm việc. Dữ liệu này thường được lấy từ các sổ tay kỹ thuật hoặc thực nghiệm. Đường cong này thể hiện mối quan hệ giữa nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi (Benzen) trong pha hơi (y) và trong pha lỏng (x) ở trạng thái cân bằng. Tiếp theo, cần xác định tỷ số hoàn lưu tối thiểu (Rmin). Đây là tỷ số hoàn lưu nhỏ nhất về mặt lý thuyết để có thể phân tách hỗn hợp, tương ứng với số mâm vô cùng. Rmin được xác định bằng cách vẽ đường thẳng từ điểm sản phẩm đỉnh (xD) tiếp xúc với đường cong cân bằng tại điểm ứng với thành phần dòng nhập liệu. Việc xác định Rmin là cực kỳ quan trọng vì nó là cơ sở để chọn suất lượng hoàn lưu làm việc (R), thường được lấy bằng (1.2 - 2.0)Rmin để tối ưu giữa chi phí đầu tư (số mâm) và chi phí vận hành (năng lượng).

2.2. Tính toán số mâm lý thuyết và vị trí mâm nhập liệu

Sau khi xác định tỷ số hoàn lưu làm việc, các đường làm việc cho đoạn luyện (phía trên mâm nhập liệu) và đoạn chưng (phía dưới mâm nhập liệu) được vẽ trên đồ thị. Đường làm việc đoạn luyện đi qua điểm (xD, xD) trên đường chéo 45° và có hệ số góc là R/(R+1). Đường làm việc đoạn chưng đi qua điểm (xW, xW) và giao với đường làm việc đoạn luyện trên đường nhập liệu. Từ đây, số mâm lý thuyết được xác định bằng cách vẽ các bậc thang giữa đường cong cân bằng và các đường làm việc, bắt đầu từ điểm sản phẩm đỉnh xD và kết thúc khi vượt qua nồng độ sản phẩm đáy xW. Mỗi bậc thang đại diện cho một mâm cân bằng lý thuyết. Vị trí mâm nhập liệu tối ưu là mâm mà tại đó ta chuyển từ đường làm việc đoạn luyện sang đường làm việc đoạn chưng. Đây là mâm có nồng độ gần nhất với thành phần của dòng nhập liệu.

2.3. Chuyển đổi từ số mâm lý thuyết sang số mâm thực tế

Số mâm tính toán từ đồ thị McCabe-Thiele là số mâm lý thuyết, giả định rằng trên mỗi mâm, pha lỏng và hơi đạt được trạng thái cân bằng hoàn toàn. Trong thực tế, điều này không bao giờ xảy ra. Do đó, cần phải xác định số mâm thực tế bằng cách chia số mâm lý thuyết cho hiệu suất mâm trung bình (η). Hiệu suất mâm là một thông số phức tạp, phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tính chất vật lý của hệ (độ nhớt, sức căng bề mặt), cấu tạo mâm và điều kiện thủy động lực học (tốc độ hơi, mực chất lỏng). Dựa trên tài liệu tham khảo, hiệu suất này có thể được ước tính từ các giản đồ kinh nghiệm, ví dụ như giản đồ của Drickamer và Bradford, dựa trên độ nhớt trung bình của chất lỏng trên mâm. Việc xác định chính xác hiệu suất là rất quan trọng để đảm bảo tháp hoạt động đúng như thiết kế.

III. Cách cân bằng vật chất và năng lượng cho tháp chưng cất

Sau khi xác định các thông số công nghệ chính, bước tiếp theo trong thiết kế tháp chưng cất hỗn hợp Benzen-Toluen là thực hiện cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng cho toàn bộ hệ thống. Cân bằng vật chất giúp xác định lưu lượng của các dòng sản phẩm đỉnh, đáy và dòng hoàn lưu dựa trên suất lượng nhập liệu và nồng độ yêu cầu. Đây là nền tảng cho mọi tính toán tiếp theo. Trong khi đó, cân bằng năng lượng là chìa khóa để xác định lượng nhiệt cần cung cấp cho thiết bị đun sôi lại (reboiler) ở đáy tháp và lượng nhiệt cần lấy đi ở thiết bị ngưng tụ tại đỉnh tháp. Các phương trình cân bằng này phải được thiết lập một cách cẩn thận, tính đến nhiệt dung riêng và ẩn nhiệt hóa hơi của các cấu tử. Kết quả từ bước này không chỉ quyết định kích thước các thiết bị trao đổi nhiệt mà còn ảnh hưởng trực tiếp đến chi phí vận hành của toàn bộ hệ thống.

3.1. Thiết lập phương trình cân bằng vật chất toàn hệ thống

Phương trình cân bằng vật chất được thiết lập dựa trên định luật bảo toàn khối lượng. Đối với toàn tháp, tổng khối lượng (hoặc mol) dòng nhập liệu (F) phải bằng tổng khối lượng sản phẩm đỉnh (D) và sản phẩm đáy (W). Tương tự, khối lượng của một cấu tử (ví dụ Benzen) trong dòng nhập liệu phải bằng tổng khối lượng của nó trong sản phẩm đỉnh và đáy. Hệ hai phương trình này (cân bằng tổng và cân bằng cấu tử) cho phép tính toán chính xác lưu lượng D và W khi biết F và các nồng độ xF, xD, xW. Ngoài ra, việc cân bằng vật chất tại các điểm cụ thể như đỉnh tháp (xung quanh thiết bị ngưng tụ) cũng rất quan trọng để xác định mối liên hệ giữa lưu lượng hơi đi lên (V), lưu lượng dòng hoàn lưu (L) và lưu lượng sản phẩm đỉnh (D). Đây là những con số cơ bản để tính toán đường kính tháp và các thiết bị phụ trợ.

3.2. Tính toán cân bằng năng lượng cho thiết bị chính

Phương trình cân bằng năng lượng dựa trên định luật bảo toàn năng lượng. Tổng năng lượng đi vào hệ thống phải bằng tổng năng lượng đi ra, cộng với phần tổn thất. Các dòng năng lượng chính bao gồm: entanpi của dòng nhập liệu, nhiệt lượng cung cấp bởi reboiler (QB), entanpi của sản phẩm đỉnh và đáy, và nhiệt lượng tải đi bởi condenser (QC). Nhiệt lượng QC tại đỉnh tháp được tính dựa trên lưu lượng hơi (V) và ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp tại đỉnh. Tương tự, nhiệt lượng QB cung cấp ở đáy tháp phải đủ để tạo ra lượng hơi cần thiết bốc lên từ đáy. Theo đồ án tham khảo, việc tính toán này cần các giá trị nhiệt dung riêng và ẩn nhiệt hóa hơi chính xác ở các nhiệt độ và thành phần tương ứng. Kết quả QC và QB là thông số đầu vào quan trọng để thiết kế thiết bị ngưng tụ và thiết bị đun sôi lại.

IV. Hướng dẫn tính toán cơ khí tháp chưng cất Benzen Toluen

Từ các thông số công nghệ đã xác định, bước cuối cùng là tính toán thiết kế cơ khí cho tháp chưng cất. Giai đoạn này chuyển đổi các yêu cầu của quá trình thành các kích thước vật lý cụ thể. Các hạng mục chính bao gồm tính toán đường kính tháp, tính toán chiều cao tháp, thiết kế chi tiết cấu trúc bên trong như mâm, chóp, ống chảy chuyền và lựa chọn vật liệu chế tạo. Mỗi thông số đều phải được tính toán cẩn thận để đảm bảo tháp hoạt động ổn định về mặt thủy động lực học, tránh các hiện tượng không mong muốn như sặc, lôi cuốn chất lỏng hay ngập lụt. Độ bền cơ học của thân tháp, nắp và đáy cũng phải được kiểm tra để chịu được áp suất và nhiệt độ làm việc. Đây là giai đoạn đòi hỏi sự kết hợp giữa lý thuyết quá trình thiết bị và các tiêu chuẩn kỹ thuật cơ khí.

4.1. Phương pháp tính toán đường kính và chiều cao thân tháp

Việc tính toán đường kính tháp dựa trên lưu lượng pha hơi và tốc độ hơi cho phép đi trong tháp. Tốc độ hơi phải đủ lớn để tạo sự tiếp xúc pha tốt nhưng không được quá cao để tránh hiện tượng lôi cuốn lỏng. Đường kính được tính riêng cho đoạn luyện và đoạn chưng vì lưu lượng hơi ở hai đoạn này có thể khác nhau. Sau khi có đường kính, tính toán chiều cao tháp được thực hiện bằng cách nhân số mâm thực tế với khoảng cách giữa các mâm. Khoảng cách này được chọn dựa trên đường kính tháp và yêu cầu về bảo trì, thường từ 0.3 đến 0.6 mét. Tổng chiều cao tháp cũng phải cộng thêm khoảng không gian ở đỉnh và đáy tháp. Các tính toán này đảm bảo tháp có đủ không gian cho quá trình truyền khối diễn ra hiệu quả.

4.2. Thiết kế chi tiết mâm chóp và hệ thống ống chảy chuyền

Đối với tháp mâm chóp, thiết kế chi tiết của mâm là rất quan trọng. Cần xác định số lượng chóp trên mỗi mâm, kích thước và cách bố trí chúng để đảm bảo sự phân bố đều của pha hơi. Trở lực của mâm, bao gồm trở lực đĩa khô và trở lực của lớp chất lỏng, phải được tính toán để xác định tổn thất áp suất toàn tháp. Hệ thống ống chảy chuyền (downcomer) cũng cần được thiết kế với kích thước phù hợp để dẫn toàn bộ lượng lỏng từ mâm trên xuống mâm dưới mà không gây ngập lụt. Chiều cao gờ chảy tràn quyết định chiều cao lớp chất lỏng trên mâm, ảnh hưởng trực tiếp đến thời gian tiếp xúc và hiệu quả truyền khối. Tất cả các chi tiết này phải tuân theo các hướng dẫn và tiêu chuẩn thiết kế trong các tài liệu chuyên ngành.

4.3. Lựa chọn thiết bị phụ thiết bị ngưng tụ và reboiler

Hệ thống tháp chưng cất không thể hoạt động nếu thiếu các thiết bị phụ trợ. Thiết bị ngưng tụ (condenser) có nhiệm vụ ngưng tụ toàn bộ hơi ra khỏi đỉnh tháp thành lỏng. Một phần lỏng này được hồi lưu về tháp, phần còn lại là sản phẩm. Thiết bị đun sôi lại (reboiler) cung cấp năng lượng cần thiết ở đáy tháp để hóa hơi một phần sản phẩm đáy, tạo ra dòng hơi đi ngược lên trong tháp. Việc tính toán diện tích bề mặt truyền nhiệt cho hai thiết bị này dựa trên lượng nhiệt (QC và QB) đã xác định trong phần cân bằng năng lượng và hệ số truyền nhiệt tổng thể. Việc lựa chọn loại thiết bị (ví dụ: ống chùm, Kettle) và vật liệu chế tạo cũng là một phần quan trọng của quá trình thiết kế này.

V. Mô phỏng thiết kế tháp chưng cất Benzen Toluen bằng Aspen

Trong kỹ thuật hóa học hiện đại, việc sử dụng phần mềm chuyên dụng để mô phỏng là một bước không thể thiếu. Mô phỏng Aspen HYSYS hoặc Aspen Plus cung cấp một công cụ mạnh mẽ để thiết kế tháp chưng cất hỗn hợp Benzen-Toluen một cách nhanh chóng và chính xác. Các phần mềm này tích hợp sẵn cơ sở dữ liệu về tính chất vật lý của hàng nghìn chất, cho phép xây dựng mô hình nhiệt động lực học chính xác cho hệ. Người dùng có thể nhập các thông số đầu vào như thành phần, lưu lượng, áp suất và yêu cầu về độ tinh khiết sản phẩm, phần mềm sẽ tự động tính toán số mâm lý thuyết, tỷ số hoàn lưu tối thiểu, và cân bằng năng lượng. Điều này không chỉ tiết kiệm thời gian so với tính toán thủ công mà còn cho phép thực hiện các phân tích độ nhạy và tối ưu hóa quá trình một cách dễ dàng.

5.1. So sánh kết quả tính toán tay và mô phỏng chuyên nghiệp

Việc so sánh kết quả giữa tính toán tay bằng phương pháp McCabe-Thiele và kết quả từ mô phỏng Aspen HYSYS là một bài tập hữu ích. Thông thường, kết quả từ hai phương pháp sẽ có sự tương đồng, đặc biệt là với hệ gần lý tưởng như Benzen-Toluen. Tuy nhiên, mô phỏng trên phần mềm thường cho kết quả chính xác hơn do không bỏ qua các giả thiết đơn giản hóa. Ví dụ, Aspen HYSYS tính toán cân bằng lỏng-hơi và entanpi trên từng mâm riêng biệt thay vì giả định suất lượng mol không đổi. Sự khác biệt này giúp người thiết kế có cái nhìn sâu sắc hơn về sự biến đổi nhiệt độ và thành phần thực tế dọc theo chiều cao tháp, từ đó đưa ra quyết định thiết kế tối ưu hơn.

5.2. Lợi ích của việc áp dụng mô phỏng trong tối ưu thiết kế

Sử dụng phần mềm mô phỏng mang lại nhiều lợi ích vượt trội. Kỹ sư có thể nhanh chóng khảo sát ảnh hưởng của việc thay đổi các thông số vận hành như tỷ số hoàn lưu, vị trí mâm nhập liệu, hoặc áp suất làm việc đến hiệu quả phân tách và chi phí năng lượng. Ví dụ, có thể dễ dàng tạo ra một đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa chi phí đầu tư (liên quan đến số mâm thực tế) và chi phí vận hành (liên quan đến nhiệt lượng reboiler) để tìm ra điểm vận hành kinh tế nhất. Hơn nữa, mô phỏng Aspen Plus còn cho phép thiết kế và định cỡ các thiết bị ngưng tụ và reboiler một cách tích hợp, tạo ra một bản thiết kế tổng thể, đồng bộ và tối ưu hóa cao.