Đồ Án Môn Học: Thiết Kế Tháp Chưng Cất Hỗn Hợp 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… 79 trang · Trường Đại Học Kỹ Thuật · 2023.

• 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.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong ngành công nghiệp hóa chất và lọc hóa dầu, nhu cầu sử dụng các hợp chất hữu cơ có độ tinh khiết cao phục vụ sản xuất nguyên vật liệu ngày càng gia tăng. Phương pháp chưng cất là giải pháp công nghệ phổ biến nhằm phân tách và nâng cao nồng độ các cấu tử từ hỗn hợp lỏng dựa trên sự khác biệt về độ bay hơi và nhiệt độ sôi của các chất thành phần ở cùng một áp suất làm việc. Đề tài đồ án môn học Quá trình và Thiết bị được thực hiện tại Khoa Công nghệ Hóa học, Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TP. Hồ Chí Minh (năm 2015) tập trung vào việc tính toán, thiết kế hệ thống tháp chưng cất mâm chóp để phân tách hỗn hợp hai cấu tử Benzen – Toluen.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án bao gồm các nội dung chính:

1. Nghiên cứu tổng quan lý thuyết về quá trình chưng cất, tính chất nhiệt động học của hệ dung dịch Benzen – Toluen và lựa chọn phương án công nghệ thích hợp.
2. Xây dựng sơ đồ nguyên lý và thuyết minh chi tiết quy trình công nghệ chưng cất liên tục có hồi lưu ở áp suất khí quyển.
3. Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng nhằm xác định suất lượng dòng, thành phần cấu tử, lượng nhiệt trao đổi, lượng hơi đốt và nước làm mát tiêu hao.
4. Tính toán thiết kế chi tiết thiết bị chính (tháp mâm chóp): đường kính tháp, số mâm lý thuyết, số mâm thực tế, chiều cao thân tháp, trở lực thủy động học và kiểm tra bền cơ khí cho thân tháp, đáy nắp, bích nối, ống dẫn, tai treo, chân đỡ.
5. Tính toán thiết kế hệ thống thiết bị phụ trợ bao gồm thiết bị ngưng tụ đỉnh, các thiết bị làm nguội sản phẩm, thiết bị đun sôi dòng nhập liệu, nồi đun đáy tháp (Reboiler) và lựa chọn bơm ly tâm chuyên dụng.

Đối tượng nghiên cứu là hệ hỗn hợp nhị phân Benzen ($C_6H_6$) và Toluen ($C_6H_5CH_3$). Phạm vi thiết kế giới hạn ở quy trình chưng cất liên tục làm việc ở áp suất thường ($P = 1\text{ atm} = 760\text{ mmHg}$), sử dụng nguồn cấp nhiệt là hơi nước bão hòa ở áp suất tuyệt đối $2\text{ at}$, vật liệu chế tạo chính là thép không gỉ X18H10T, thép cacbon CT3 và ống truyền nhiệt đồng thau ($89\text{Cu} + 11\text{Zn}$).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đề tài dựa trên nguyên lý truyền khối và cân bằng pha lỏng - hơi của hệ hai cấu tử Benzen – Toluen. Khác với quá trình hấp thu hay trích ly cần đưa thêm pha mới từ ngoài vào, quá trình chưng cất tạo pha mới trực tiếp thông qua bốc hơi hoặc ngưng tụ. Quá trình này cũng khác biệt căn bản với quá trình cô đặc: trong chưng cất, cả dung môi và chất tan đều có khả năng bay hơi và hiện diện ở cả hai pha lỏng - hơi với tỷ lệ khác nhau, trong khi cô đặc chỉ có dung môi bay hơi.

Về mặt công nghệ, tác giả tiến hành so sánh ưu nhược điểm giữa ba loại thiết bị chưng cất phổ biến để lựa chọn thiết bị phù hợp nhất:

Loại tháp	Ưu điểm	Nhược điểm
Tháp chêm (tháp đệm)	Cấu tạo đơn giản, trở lực thấp, làm việc được với chất lỏng bẩn nếu dùng đệm thích hợp.	Hiệu suất truyền khối thấp do hiệu ứng thành, khó tăng năng suất, độ ổn định không cao.
Tháp mâm xuyên lỗ	Trở lực tương đối thấp, hiệu suất phân tách khá cao, cấu tạo gọn gàng.	Không làm việc được với chất lỏng bẩn, chế độ làm việc nhạy cảm với sự dao động lưu lượng.
Tháp mâm chóp	Chế độ làm việc rất ổn định, hiệu suất đĩa cao, làm việc được với chất lỏng bẩn.	Cấu tạo phức tạp, trở lực tương đối lớn, tiêu tốn nhiều vật tư kim loại, thiết bị nặng nề.

Phương pháp tính toán kỹ thuật được tác giả sử dụng bao gồm:

• Phương pháp đồ thị McCabe - Thiele: Xác định số đĩa lý thuyết dựa trên đường cân bằng pha $x - y$, đường làm việc phần luyện, đường làm việc phần chưng và đường nhập liệu $q$.
• Phương pháp hiệu suất trung bình: Xác định số đĩa thực tế từ số đĩa lý thuyết dựa trên độ nhớt hỗn hợp lỏng và độ bay hơi tương đối theo tương quan giải tích và đồ thị tra cứu.
• Phương pháp cân bằng nhiệt động học: Xác định lượng nhiệt cấp vào, nhiệt lấy ra, tiêu hao hơi nước bão hòa và nước làm lạnh cho các thiết bị truyền nhiệt với giả thiết tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh là $5%$.
• Phương pháp tính toán thủy động lực và độ bền cơ học: Tính toán trở lực đĩa khô, trở lực do sức căng bề mặt, chiều cao lớp bọt/lớp lỏng trên mâm; tính toán chiều dày thân tháp hình trụ hàn hồ quang điện, đáy nắp elip có gờ chịu áp suất trong và kiểm tra theo điều kiện áp suất thử thủy lực.
• Nguồn dữ liệu tra cứu: Số liệu hóa lý, đồ thị cân bằng và thông số tiêu chuẩn được trích xuất từ Sổ tay Quá trình & Thiết bị Công nghệ Hóa chất (Tập 1 và Tập 2, NXB Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội) và giáo trình của Võ Văn Bang – Vũ Bá Minh.

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Tổng quan

Chương này hệ thống hóa toàn bộ cơ sở lý thuyết về quá trình chưng cất, phân loại phương pháp chưng cất (theo áp suất làm việc: áp suất thấp, áp suất thường, áp suất cao; theo nguyên lý làm việc: chưng đơn giản một bậc, chưng lôi cuốn theo hơi nước, chưng cất liên tục; theo phương thức cấp nhiệt: trực tiếp, gián tiếp). Tác giả phân tích cấu tạo, ưu nhược điểm của tháp chêm, tháp mâm xuyên lỗ và tháp mâm chóp, từ đó chọn tháp mâm chóp tròn để chưng cất liên tục ở áp suất thường.

Nội dung chương trình bày chi tiết tính chất hóa lý của hai cấu tử:

• Benzen ($C_6H_6$): khối lượng phân tử $78{,}11\text{ g/mol}$, tỷ trọng ở $20^\circ\text{C}$ là $0{,}879\text{ g/cm}^3$, nhiệt độ sôi $80^\circ\text{C}$, nhiệt độ nóng chảy $5{,}5^\circ\text{C}$, là dung môi không phân cực, độc tính cao (nồng độ khoảng $1\text{ ppm}$ trong không khí đã có nguy cơ gây bệnh bạch cầu).
• Toluen ($C_6H_5CH_3$): khối lượng phân tử $92{,}13\text{ g/mol}$, tỷ trọng ở $20^\circ\text{C}$ là $0{,}866\text{ g/cm}^3$, nhiệt độ sôi $111^\circ\text{C}$, nhiệt độ nóng chảy $-95^\circ\text{C}$, độc tính thấp hơn Benzen.
• Tổng hợp các phương pháp điều chế hydrocacbon thơm (chưng cất than đá, dầu mỏ; đóng vòng và dehydro hóa ankan; dehydro hóa cycloankan; trime hóa axetylen; phản ứng ankyl hóa Friedel - Crafts) và lập bảng số liệu cân bằng lỏng ($x$) - hơi ($y$) của hệ Benzen – Toluen ở $760\text{ mmHg}$.

Chương II: Sơ đồ nguyên lý và thuyết minh chi tiết sơ đồ nguyên lý

Chương II mô tả chu trình vận hành khép kín và liên tục của hệ thống:

• Hỗn hợp nguyên liệu từ thùng chứa được bơm ly tâm (1) đưa lên bồn cao vị (2), mức lỏng được ổn định nhờ ống chảy tràn.
• Dung dịch từ bồn cao vị chảy qua thiết bị đun sôi dòng nhập liệu (3), được gia nhiệt bằng hơi nước bão hòa đến nhiệt độ sôi rồi đưa vào đĩa tiếp liệu của tháp chưng luyện (5).
• Trong tháp, pha lỏng chảy từ trên xuống gặp pha hơi đi từ dưới lên qua các chóp. Quá trình trao đổi chất diễn ra liên tục: nồng độ cấu tử dễ bay hơi (Benzen) tăng dần lên đỉnh tháp, nồng độ cấu tử khó bay hơi (Toluen) tăng dần xuống đáy tháp.
• Hơi đỉnh tháp vào thiết bị ngưng tụ hoàn toàn (6); một phần chất lỏng sau ngưng tụ được hồi lưu về đĩa đỉnh để duy trì pha lỏng đoạn luyện, phần còn lại qua thiết bị làm lạnh (7) vào bồn chứa sản phẩm đỉnh (8).
• Chất lỏng đáy tháp một phần được hóa hơi tuần hoàn qua nồi đun đáy tháp dạng Kettle (10), phần còn lại qua thiết bị làm nguội đáy (16) rồi vào bồn chứa sản phẩm đáy (15). Nước ngưng từ các bộ trao đổi nhiệt được xả qua cụm bẫy hơi (12).

Chương III: Cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng

Chương III thực hiện tính toán định lượng các dòng vật chất và nhiệt lượng:

• Xác định chỉ số hoàn lưu thích hợp từ chỉ số hoàn lưu tối thiểu $R_{min}$.
• Sử dụng đồ thị cân bằng $x - y$ xác định được số mâm lý thuyết là 12 mâm (đoạn luyện: 6 mâm, đoạn chưng: 6 mâm, vị trí mâm nhập liệu lý thuyết là mâm số 7).
• Tra cứu độ nhớt, tính toán độ bay hơi tương đối và xác định hiệu suất trung bình của đĩa, tính ra số mâm thực tế của tháp là 19 mâm (đoạn luyện: 9 mâm, đoạn chưng: 10 mâm, vị trí mâm nhập liệu thực tế là mâm số 10).
• Thiết lập cân bằng nhiệt lượng cho toàn bộ hệ thống: tính toán lượng nhiệt do dòng nhập liệu, dòng hơi đỉnh, dòng lỏng hồi lưu, sản phẩm đáy và nước ngưng mang vào/ra; tính toán lượng hơi đốt bão hòa $2\text{ at}$ cần cấp cho thiết bị gia nhiệt nhập liệu và nồi đun đáy tháp; tính toán lượng nước làm mát tiêu tốn trong khoảng nhiệt độ $30^\circ\text{C} - 40^\circ\text{C}$ cho thiết bị ngưng tụ và các thiết bị làm nguội.

Chương IV: Tính toán thiết bị chính

Chương IV trình bày các bước tính toán kích thước hình học, thủy động lực học và độ bền cơ khí của tháp mâm chóp:

• Đường kính và chiều cao tháp: Xác định lưu lượng thể tích, khối lượng riêng trung bình pha hơi và pha lỏng, tốc độ giới hạn của pha hơi trong đoạn luyện và đoạn chưng; chọn khoảng cách giữa các mâm $h = 0{,}25\text{ m}$; quy chuẩn đường kính tháp và chiều cao làm việc của thân tháp.
• Trở lực thủy động học: Tính toán chi tiết tổng trở lực của một đĩa và toàn tháp bao gồm: trở lực đĩa khô (qua ống hơi và khe chóp), trở lực do sức căng bề mặt chất lỏng, trở lực của lớp chất lỏng và lớp bọt trên đĩa (xác định chiều cao gờ chảy tràn, diện tích phân bố chóp, ống chảy chuyền).
• Tính toán cơ khí thân tháp: Thân tháp hình trụ bằng thép không gỉ X18H10T chế tạo bằng phương pháp hàn hồ quang điện giáp mối hai bên. Dựa trên áp suất làm việc tại đáy tháp (áp suất hơi cộng áp suất thủy tĩnh cột chất lỏng) và độ bền mối hàn có kể đến các lỗ khoét mâm quan sát, tính ra chiều dày thân tháp là $3\text{ mm}$ (đã cộng dung sai ăn mòn $C$). Kiểm tra ứng suất thành thiết bị theo áp suất thử thủy lực đạt yêu cầu bền.
• Đáy và nắp tháp: Chọn dạng nắp và đáy hình elip có gờ bằng thép X18H10T. Chiều dày tính toán ban đầu $5\text{ mm}$ khi kiểm tra ứng suất theo áp suất thử thủy lực không thỏa mãn điều kiện bền, tác giả đã hiệu chỉnh và chọn lại chiều dày quy chuẩn là $6\text{ mm}$.
• Ống dẫn và mặt bích: Tính toán đường kính quy chuẩn cho các ống nối dẫn hơi đỉnh ($D_y = 70\text{ mm}$), ống hoàn lưu ($D_y = 20\text{ mm}$), ống nhập liệu ($D_y = 25\text{ mm}$), ống sản phẩm đáy ($D_y = 32\text{ mm}$) và ống hơi từ nồi đun vào đáy tháp ($D_y = 70\text{ mm}$). Chọn bích liền không cổ bằng thép CT3 ghép thân (gồm 11 cặp bích cho đoạn nối cứ 2 mâm một đoạn) và bích nối ống dẫn tiêu chuẩn kèm đệm kín.
• Kết cấu đỡ: Tính sơ bộ tổng khối lượng tháp (gồm khối lượng thân, đáy nắp, mâm, chóp, ống hơi, ống chảy chuyền, bích và khối lượng chất lỏng chứa đầy tháp); lựa chọn kết cấu đỡ gồm 4 tai treo và 4 chân đỡ bằng thép CT3 tiêu chuẩn.

Chương V: Tính toán thiết bị phụ

Chương V tính toán kích thước truyền nhiệt và thủy lực cho các thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm đặt nằm ngang (vật liệu ống truyền nhiệt bằng đồng thau $89\text{Cu} + 11\text{Zn}$) và chọn máy bơm:

1. Thiết bị ngưng tụ hoàn toàn đỉnh tháp: Thiết bị ống chùm đặt nằm ngang, đường kính vỏ $D = 0{,}5\text{ m}$, gồm 93 ống truyền nhiệt đường kính ngoài $32\text{ mm}$ xếp thành 5 vòng tròn đồng tâm; hơi đi ngoài ống ngưng tụ ở $83{,}88^\circ\text{C}$, nước làm mát đi trong ống ($30^\circ\text{C} \rightarrow 40^\circ\text{C}$).
2. Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy: Thiết bị ống chùm nằm ngang, đường kính vỏ $D = 0{,}6\text{ m}$, gồm 173 ống truyền nhiệt xếp thành 7 vòng tròn (vòng ngoài cùng 43 ống); làm nguội dòng sản phẩm đáy từ $110{,}58^\circ\text{C}$ xuống $40^\circ\text{C}$ bằng nước làm mát ($30^\circ\text{C} \rightarrow 40^\circ\text{C}$).
3. Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh: Thiết bị ống chùm nằm ngang gồm 37 ống truyền nhiệt xếp thành 3 vòng tròn (vòng ngoài cùng 18 ống); làm nguội sản phẩm Benzen đỉnh từ sau ngưng tụ xuống nhiệt độ bảo quản.
4. Nồi đun đáy tháp (Reboiler): Nồi đun dạng Kettle đặt riêng biệt ngoài tháp, nhận lỏng đáy tháp, sử dụng chùm 173 ống đồng thau xếp 7 vòng tròn gia nhiệt bằng hơi nước bão hòa $2\text{ at}$ ($t_{sôi} = 119{,}58^\circ\text{C}$) để bốc hơi tuần hoàn đáy.
5. Thiết bị đun sôi dòng nhập liệu: Thiết bị ống chùm gồm 173 ống truyền nhiệt nhận dòng nhập liệu từ bồn cao vị, gia nhiệt từ $30^\circ\text{C}$ đến nhiệt độ sôi $102^\circ\text{C}$ bằng hơi nước bão hòa $2\text{ at}$ ($119{,}62^\circ\text{C}$).
6. Bơm chất lỏng: Tính toán khối lượng riêng, độ nhớt động lực và độ nhớt động học của dòng nguyên liệu và dòng hoàn lưu; lựa chọn loại bơm ly tâm hóa chất một cấp chế tạo từ thép hợp kim 10X18H19T để vận chuyển hóa chất độc hại Benzen – Toluen.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã hoàn thành trọn vẹn nhiệm vụ tính toán thiết kế kỹ thuật hệ thống chưng cất hỗn hợp Benzen – Toluen với các kết quả thông số cụ thể được tổng hợp trong bảng sau:

Hạng mục thiết bị / Thông số	Kết quả tính toán thiết kế	Vật liệu chế tạo / Quy chuẩn
Loại tháp chưng cất	Tháp đĩa chóp tròn, vận hành liên tục	Thân, đĩa, chóp: Thép X18H10T
Áp suất làm việc	$1\text{ atm}$ ($760\text{ mmHg}$)	Áp suất khí quyển
Số mâm lý thuyết ($N_{lt}$)	12 mâm (6 mâm luyện, 6 mâm chưng)	Mâm nhập liệu lý thuyết: số 7
Số mâm thực tế ($N_{tt}$)	19 mâm (9 mâm luyện, 10 mâm chưng)	Mâm nhập liệu thực tế: số 10
Khoảng cách giữa các mâm	$h = 0{,}25\text{ m}$	Tiêu chuẩn theo đường kính tháp
Chiều dày thân tháp	$S = 3\text{ mm}$ ($0{,}003\text{ m}$)	Thép tấm không gỉ X18H10T
Chiều dày đáy và nắp tháp	$S = 6\text{ mm}$ ($0{,}006\text{ m}$) (đáy nắp elip có gờ)	Hiệu chỉnh từ $5\text{ mm}$ lên $6\text{ mm}$ sau kiểm tra bền
Bích ghép thân tháp	11 cặp bích (cứ 2 mâm bố trí 1 mối ghép)	Thép CT3, kiểu bích liền không cổ
Thiết bị ngưng tụ đỉnh	Thiết bị ống chùm nằm ngang, 93 ống	$D_{vỏ} = 0{,}5\text{ m}$, ống đồng thau ($89\text{Cu} + 11\text{Zn}$)
Thiết bị làm nguội đáy	Thiết bị ống chùm nằm ngang, 173 ống	$D_{vỏ} = 0{,}6\text{ m}$, ống đồng thau ($89\text{Cu} + 11\text{Zn}$)
Thiết bị làm nguội đỉnh	Thiết bị ống chùm nằm ngang, 37 ống	Ống đồng thau ($89\text{Cu} + 11\text{Zn}$)
Thiết bị nồi đun đáy tháp	Thiết bị dạng Kettle riêng biệt, 173 ống	Hơi nước bão hòa $2\text{ at}$ ($119{,}58^\circ\text{C}$)
Thiết bị đun sôi nhập liệu	Thiết bị ống chùm, 173 ống	Hơi nước bão hòa $2\text{ at}$ ($119{,}62^\circ\text{C}$)
Bơm vận chuyển dung dịch	Bơm ly tâm 1 cấp chuyên dụng cho hóa chất	Thép hợp kim 10X18H19T
Chi tiết đỡ tháp	4 tai treo và 4 chân đỡ phân bố đối xứng	Thép CT3 tiêu chuẩn

Về mặt đóng góp chuyên môn, đồ án đã giải quyết đầy đủ chuỗi tính toán kỹ thuật hóa học từ cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt lượng, thủy động lực học đĩa chóp cho đến tính toán độ bền cơ khí thiết bị áp lực và mạng lưới trao đổi nhiệt phụ trợ, cung cấp bộ số liệu thiết kế hoàn chỉnh cho hệ phân tách Benzen – Toluen ở quy mô công nghiệp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Theo tự nhận xét của tác giả trong lời mở đầu và phạm vi tính toán của văn bản:

• Đồ án là bước đầu làm quen với công tác thiết kế quá trình và thiết bị công nghệ hóa học, kỹ năng và kiến thức còn một số hạn chế nhất định.
• Quá trình tính toán sử dụng nhiều bước nội suy từ các bảng tra cứu sổ tay (về độ nhớt, ẩn nhiệt hóa hơi, khối lượng riêng, sức căng bề mặt) và phương pháp đồ thị gần đúng, dẫn đến sai số tích lũy giữa các bước tính toán.
• Thiết kế giới hạn ở chế độ làm việc ổn định ở áp suất thường của hệ nhị phân lý tưởng, chưa khảo sát các chế độ động học phức tạp khi có sự dao động về lưu lượng và nồng độ nguyên liệu đầu vào.
• Hướng mở rộng tiếp theo là tối ưu hóa mạng lưới trao đổi nhiệt (như tận dụng nhiệt dòng sản phẩm đáy có nhiệt độ cao $110{,}58^\circ\text{C}$ để gia nhiệt sơ bộ cho dòng nhập liệu $30^\circ\text{C}$ nhằm tiết kiệm hơi đốt) và nghiên cứu tích hợp hệ thống tự động hóa điều khiển quá trình.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo có cấu trúc chuẩn mực cho sinh viên các ngành Kỹ thuật Hóa học, Công nghệ Thực phẩm, Công nghệ Sinh học và Kỹ thuật Môi trường khi thực hiện đồ án môn học Quá trình và Thiết bị hoặc khóa luận tốt nghiệp chuyên ngành thiết kế thiết bị truyền khối.

Những nội dung có giá trị tham khảo cao nhất trong tài liệu gồm:

• Toàn bộ quy trình tra cứu và thiết lập phương trình cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng theo tiêu chuẩn Sổ tay Quá trình & Thiết bị.
• Trình tự tính toán thủy động lực học chi tiết cho tháp mâm chóp (trở lực đĩa khô, trở lực sức căng bề mặt, kích thước khe chóp, ống chảy chuyền và mức chất lỏng trên đĩa).
• Các bước kiểm tra độ bền cơ khí thân trụ và đáy nắp elip theo điều kiện áp suất thử thủy lực, đặc biệt là trường hợp xử lý tăng chiều dày đáy nắp từ $5\text{ mm}$ lên $6\text{ mm}$ khi phép kiểm tra ứng suất ban đầu không đạt.
• Phương pháp tính toán hệ số cấp nhiệt và diện tích bề mặt truyền nhiệt cho các thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm ngưng tụ và làm nguội.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao tác giả lựa chọn tháp mâm chóp thay vì tháp chêm hay tháp mâm xuyên lỗ để chưng cất hệ Benzen – Toluen?
Trong Chương I, tác giả phân tích và so sánh ba loại tháp: tháp chêm có trở lực thấp nhưng hiệu suất truyền khối thấp do hiệu ứng thành và khó nâng cao năng suất; tháp mâm xuyên lỗ có hiệu suất khá cao nhưng không làm việc được với chất lỏng bẩn và nhạy cảm với dao động lưu lượng. Tháp mâm chóp tuy có cấu tạo phức tạp và trở lực lớn hơn nhưng có ưu điểm nổi bật là độ ổn định vận hành rất cao, hiệu suất phân tách đĩa cao và thích hợp cho quá trình làm việc liên tục của hệ Benzen – Toluen.

2. Số mâm lý thuyết và số mâm thực tế của tháp được xác định là bao nhiêu, vị trí đĩa tiếp liệu ở đâu?
Dựa trên phương pháp đồ thị McCabe - Thiele ở Chương III, số mâm lý thuyết được xác định là 12 mâm (gồm 6 mâm phần luyện và 6 mâm phần chưng, đĩa nhập liệu lý thuyết là đĩa số 7). Sau khi tính toán hiệu suất trung bình của đĩa qua độ nhớt và độ bay hơi tương đối, số mâm thực tế của tháp là 19 mâm (gồm 9 mâm phần luyện và 10 mâm phần chưng, đĩa nhập liệu thực tế là đĩa số 10).

3. Thân tháp và đáy nắp được chế tạo bằng vật liệu gì và có chiều dày bao nhiêu?
Thân tháp, đáy và nắp đều được chế tạo bằng thép không gỉ X18H10T hàn hồ quang điện. Thân tháp có chiều dày tính toán và quy chuẩn là $3\text{ mm}$. Đáy và nắp elip có gờ ban đầu tính toán chiều dày $5\text{ mm}$ nhưng không thỏa mãn điều kiện kiểm tra ứng suất theo áp suất thử thủy lực ($ST2:XIII.49/386$), do đó tác giả đã chọn lại chiều dày nắp và đáy là $6\text{ mm}$.

4. Các thiết bị trao đổi nhiệt phụ trợ trong hệ thống sử dụng loại thiết bị và vật liệu nào?
Các thiết bị phụ gồm thiết bị ngưng tụ đỉnh (93 ống), thiết bị làm nguội sản phẩm đáy (173 ống), thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (37 ống), nồi đun đáy tháp Reboiler (173 ống) và thiết bị đun sôi dòng nhập liệu (173 ống). Tất cả đều sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm đặt nằm ngang với vật liệu ống truyền nhiệt là đồng thau ($89\text{Cu} + 11\text{Zn}$), sử dụng nước làm mát ($30^\circ\text{C} - 40^\circ\text{C}$) hoặc hơi nước bão hòa $2\text{ at}$ ($119{,}58^\circ\text{C} - 119{,}62^\circ\text{C}$) làm tác nhân cấp nhiệt.

5. Các bộ phận phụ trợ cơ khí như mặt bích, tai treo và chân đỡ được chọn bằng vật liệu gì?
Mặt bích ghép thân (11 cặp bích liền không cổ), bích nối ống dẫn, 4 tai treo và 4 chân đỡ chịu lực của tháp đều được lựa chọn theo tiêu chuẩn chế tạo từ thép cacbon CT3.

Kết luận

Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị của sinh viên Trương Phúc Diễm Oanh đã hoàn thành trọn vẹn việc tính toán, thiết kế hệ thống tháp mâm chóp chưng cất liên tục hỗn hợp Benzen – Toluen ở áp suất khí quyển. Các kết quả tính toán đã xác định chính xác số mâm thực tế (19 mâm), kích thước cơ khí tháp bằng thép X18H10T (thân dày $3\text{ mm}$, đáy nắp dày $6\text{ mm}$), trở lực thủy động lực và hệ thống 5 thiết bị trao đổi nhiệt phụ trợ dạng ống chùm đồng thau. Đây là tài liệu thuyết minh kỹ thuật chi tiết, có giá trị tham khảo thực tiễn cao cho sinh viên ngành Công nghệ Hóa học và Thực phẩm trong việc thực hiện các đồ án thiết kế thiết bị truyền khối.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Trong thời đại phát triển hiện nay, thì các ngành công nghiệp hóa chất cũng như nhu cân sử dụng hóa chất-nguyên vật liệu có độ tỉnh khiết của Việt Nam ta nói riêng và thế giới nói chung ngày càng cao, và “Chưng cất” là một trong những phương pháp để tách cũng như nâng cao n ông độ của cấu tử.Và sau khi được học xong các môn v`êquá trình và thiết bị, em được th Tí Tién Nam giao cho D Gan: “Chung cất hỗn hợp benzen-toluen bằng tháp mâm chóp”, cùng với sự hướng dẫn nhiệt tình của th`w, em đã thực hiện hoàn tấc đán được giao. Mặc dù đã nổ lực hết mình nhưng do là lần đầu tiên thực hiện Ð Ôán, cũng như kiến thức, kĩ năng vẫn còn hạn chế nên gặp nhi`ân thiếu sót khi thực hiện Ð ôán này, kính mong các thầ% cô xem xét và chỉ bảo. Nhân đây em cũng xin gửi lời cảm ơn đến th Nam trong thời qua đã hướng dẫn em hòa thiện D Gan cia minh, va th ¥ cô đã bỏ thời gian để xem xét cũng như chỉ bảo những sai sót cũng như hạn chế của mình trong Ð ôán này. CHUONG I: TONG QUAN ( Lý thuyết v`êchưng cất) 1.

Khái niệm : -_ Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của hỗn hợp lỏng cũng như hỗn hợp 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 căn bản nhất của 2 quá trình này là trong quá trình chưng cất dung môi và chất tan đ ân bay hơi (nghĩa là các cấu tử đầâi 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 nhi`âi cấu tử và thưởng thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu được bấy nhiêu sản phẩm.

Nếu xét hệ đơn giản chỉ có 2 cấu tử thì ta sẽ thu được 2 sản phẩm : [1 Sản phẩm đỉnh chủ yếu g ôn cấu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt độ sôi nhỏ) O Sản phẩm đỉnh chủ yếu g ôn cấu tử có độ bay hơi nhỏ (nhiệt độ sôi lớn) -_ Đối với hệ Benzen — Toluen H Sản phẩm đỉnh chủ yếu g Gm benzen và một ít toluen. H Sản phẩm đáy chủ yếu là toluen và một ít benzen. Phương pháp chưng cất : Các phương pháp chưng cất được phân loại theo : -_ Áp suất làm việc : H Áp suất thấp H Áp suất thường H Áp suất cao H Nguyên tắc làm việc : dựa vào nhiệt độ sôi của các cấu tử, nếu nhiệt độ sôi của các cấu tử quá cao thì ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi của các cấu tử. — Nguyên lí làm việc : O Chưng một bậc [1 Chưng lôi cuốn theo hơi nước O Chung cat _ Cấp nhiệt ở đáy tháp : 1 Cấp nhiệt trực tiếp 1 Cấp nhiệt gián tiếp Vậy : Đối với hệ Benzen — Toluen, ta chon phương pháp chưng cất liên tục ở áp suất thưởng.

Thiết bị chưng cất : Trong sản xuất, người ta thưởng dùng nhí "âu loại thiết bị khác nhau để tiến hành chưng cất. Tuy nhiên, yêu cân cơ bản chung của các thiết bị vẫn giống nhau nghĩa là diện tích tiếp xúc pha phải lớn. Đi âi 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 thưởng 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 đượ cho tiếp xúc 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 lễ : trên mâm có nhi ân lễ hay rãnh. Tháp chêm (tháp đệm) : tháp hình trụ, ø ôm nhi `â 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 : Tháp chêm Tháp mâm xuyên lễ Tháp chóp - Cấu tạo khá đơn giản. - Trở lực tương đối| - Khá ổn định. - Trở lực thấp.

- Hiệu suất cao. - Hiệu suất khá cao. - Làm việc được với chất lỏng Ưu điểm bẩn nếu dùng đệm c`âi có L1 O cua chat lỏng. - Do có hiệu ứng thành L]1 | - Khêng làm việc được | - Có trở lực lớn.

hiệu suất truy ân khối thấp. với chất lỏng bẩn. ¬ - Tiêu tốn nhi ân - Độ ổn định không cao, khó | - Kết cấu khá phức tạp. | vật tư, kết cấu vận hành.

Nhược = - Do có hiệu ứng thành LÏ khi điểm tăng năng suất thì hiệu ứng thành tăng LÏ khó tắng năng suất. - Thiết bị khá nặng n` SAS Vậy :Theo yêu cân của d Gan, ta sử dụng mâm chóp để chưng cất hỗn hợp benzen-toluen b. Giới thiệu v`ênguyên liệu : Benzen & Toluen : 7| Benzen: là một hợp chất mạch vòng, ở dạng lỏng không màu và có mùi thơm nhẹ.Công thức phận tử là CH‹s. Benzen 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 thưởng sử dụng benzen làm dung môi. Tuy nhiên sau đó người ta phát hiện ra rằng n Šng độ benzen trong không khí chỉ cn thấp khoảng 1ppm cũng có khả năng gây ra bệnh bạch cân, nên ngày nay benzen được sử dụng hạn chế hơn Các tính chất vật lí của benzen: o_ Khối lượng phân tir: 78,11 o_ Tỉ trọng(200C): 0.879 o_ Nhiệt độ sôi: SOoC o_ Nhiệt độ nóng chảy: 5,50C Toluen: là một hợp chất mạch vòng,ở dạng lỏng và có tính thơm ,công thức phân tử tương tự như benzen có gắn thêm nhóm —CH;. Không phân cực,do d6 toluen tan tốt trong benzen. Toluen có tính chất dung môi tương tự benzen nhưng độc tính thấp hơn nhi ân, nên ngày nay thường được sử dụng thay benzen làm dung môi trong phòng thí nghiệm và trong công nghiệp.

Các tính chất vật lí của toluen: o_ Khối lượng phân tử : Ø2,13 o_ Tỉ trọng (20°C) : 0,866 o_ Nhiệt độ sôi : 111°C o_ Nhiệt độ nóng chảy : -95°C c. Các phương thức đi âi chế: Đi từ ngu Ân thiên nhiên Thông thưởng các hidrocacbon ít được đi 'âi chế trong phòng thí nghiệm, vì có thể thu được lượng lớn nó bằng phương pháp chưng cất than da, du mo. Đóng vòng và dehiro hóa ankane Các ankane có thể tham gia đóng vòng và dehidro hóa tạo thành hidro cacbon thom ở nhiệt độ cao và có mặt xúc tác như Cr;O›, hay các lim loại chuyển tiếp nhu Pd, Pt CH;(CH2)sCHs CeHe —_ Dehidro hóa các cycloankane Các cycloankane có thể bị dehidro hóa ở nhiệt độ cao với sự có mặt của các xúc tác kim - loại chuyển tiếp tạo thành benzen hay các dẫn xuất cảu benzen C¿H› CøHs Đi từ acetylen Dun acetane trong sự có mặt cảu của xúc tác là than hoạt tính hay phức của niken nhu Ni(CO)[(CeHs)P] sé thu được benzen 3C2H, CeHe Từ benzen ta có thể đi `âi chế được các dẫn xuất của benzen như toluen bang phản ứng Friedel-Crafts (phản ứng ankyl hóa benzen bằng các dẫn xuất ankyl halide với sự có mặt cảu xúc tác AICl: khan CoeHe + CH:- Cl C,H:-CH; d. Hỗn hợp benzen — toluen : Ta có bảng thành ph3n lỏng (x) — hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Benzen- Toluen ở 760 mmHg.3 | 802 CHUONG II: SO DO NGUYEN LY VA THUYET MINH CHI TIET SO DO NGUYEN LY Hỗn hợp đi tử thùng chứa nguyên liệu được bơm (1) bom lién tuc 1én bf cao vi (2).

Mức chất lỏng cao nhất ở thùng cao vị được khống chế nhờ ống chảy tràn. Từ bồn cao vị, hễn hợp đi qua thiết bị đun sôi dòng nhập liệu (3). Tại đây, dung dịch được gia nhiệt bằng hơi nước bão hòa đến nhiệt độ sôi. Sau đó,dung dịch được đưa vào tháp chưng luyện (5) qua đĩa tiếp liệu.

Tháp chưng luyện g ôn 2 ph %: ph %h tr dia tiếp liệu trở lên trên là đoạn luyện, còn từ đĩa tiếp liệu trở xuống là đoạn chưng. Như vậy, ở trong tháp,pha lỏng đi từ trên xuống tiếp xúc với pha hơi đi từ dưới lên. Hơi bốc từ đĩa dưới lên qua các lễ đĩa trên và tiếp xúc với pha lỏng của dia trên, ngưng tụ một phhn, vì thế n Šng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng tăng dần theo chỉ `âi cao của tháp. Vì n ông độ cấu tử dễ bay hơi trong lỏng tăng nên n ông độ của nó trong hơi do lỏng bốc lên cũng tăng.

Cấu tử dễ bay hơi có nhiệt độ sôi thấp hơn cấu tử khó bay hơi nên khi nông độ của nó tăng nên thì nhiệt độ sôi của dung dịch giảm. Tóm lại, theo chiên cao tháp n ng độ cấu tử dễ bay hơi (cả pha lỏng và pha hơi) tăng dần, nồng độ cấu tử khó bay hơi (cả pha lỏng và pha hơi) giảm d8 và nhiệt độ giảm dần. Cuối cùng ở đỉnh tháp ta sẽ thu được hỗn hợp hơi có thành phần hân hết là cấu tử dễ bay hơi còn ở đáy tháp ta sẽ thu được hỗn hợp lỏng có thành ph`n cấu tử khó bay hơi chiếm tỉ lệ lớn. Để duy trì pha lỏng trong các đĩa trong đoạn luyện, ta bổ sung bằng dòng hổ lưu được ngưng tụ từ hơi đỉnh tháp.

Hơi đỉnh tháp được ngưng tụ nhớ thiết bị ngưng tụ hoàn toàn (6), dung dịch lỏng thu được sau khi ngưng tụ một phn được dẫn tới hổ lưu trở lại đĩa luyện trên cùng để duy trì pha lỏng trong các đĩa đoạn luyện, ph& còn lại được đưa qua thiết bị làm lạnh (7) để đi vào bồn chứa sản phẩm đỉnh (8). Chất lỏng ở đáy tháp được tháo ra ở đáy 10| tháp ,sau đó một phn được đun sôi bằng n 6 dun day thap (10) va h’G hu va day tháp, phẦn chất lỏng còn lại được đưa vào thiết bị làm nguội sản phẩm đáy (16).r đưa vào b ôn chứa sản phẩm đáy (15).