Thiết kế tháp mâm chóp chưng cất Benzen-Toluen, ĐAMH QT&TB, SV Vũ Tiến Dũng

Tìm hiểu về thiết kế tháp mâm chóp dùng trong quá trình chưng cất hỗn hợp Benzen-Toluen. Tài liệu hướng dẫn chi tiết các bước thực hành tại phòng thí nghiệm

• Tác giả: Vũ Tiến Dũng
• Người hướng dẫn: Phan Đình Tuấn
• Trường học: Đại học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Công nghệ Hoá học
• Đề tài: Thiết kế tháp mâm chóp chưng cất hỗn hợp Benzen – Toluen có năng suất 200 l/h tính theo sản phẩm đỉnh
• Loại tài liệu: Đồ án môn học
• Năm xuất bản: 2010
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về thiết kế tháp mâm chóp chưng cất Benzen Toluen

Thiết kế tháp mâm chóp chưng cất Benzen-Toluen là đề tài đồ án môn học Quá trình và Thiết bị thuộc chương trình đào tạo ngành Công nghệ Hóa tại Đại học Bách Khoa TP.HCM. Dự án hướng đến việc tách hỗn hợp Benzen-Toluen đạt năng suất 200 l/h tính theo sản phẩm đỉnh. Hệ Benzen-Toluen thuộc loại hai cấu tử tan lẫn hoàn toàn, phù hợp với phương pháp chưng cất đơn giản. Nồng độ nhập liệu ban đầu là 40% khối lượng, sản phẩm đỉnh yêu cầu đạt 98% và sản phẩm đáy chỉ còn 1% Benzen. Đây là bài toán thực tiễn giúp sinh viên vận dụng kiến thức nhiệt động học, truyền nhiệt và cơ học vào thiết kế thiết bị hóa học. Quá trình chưng cất利用differencia điểm sôi giữa Benzen (80,1°C) và Toluen (110,6°C) để thực hiện phân tách. Thiết kế bao gồm tính toán cột chưng cất, mâm tháp, bình ngưng và nồi hơi. Kết quả cuối cùng thể hiện trên hai bản vẽ A1 quy trình công nghệ và chi tiết thiết bị.

1.1. Mục tiêu và phạm vi thiết kế

Mục tiêu chính của đồ án là thiết kế tháp mâm chóp chưng cất liên tục để tách Benzen từ hỗn hợp Benzen-Toluen. Phạm vi bao gồm tính toán cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt, xác định số tầng lý thuyết bằng đồ thị McCabe-Thiele, thiết kế kích thước cột, mâm tháp và các thiết bị phụ trợ. Năng suất thiết kế đạt 200 l/h sản phẩm đỉnh với độ tinh khiết 98% khối lượng. Nhiệt độ nguồn năng lượng và các thông số khác được tự chọn dựa trên điều kiện vận hành thực tế. Dự án áp dụng cho quy mô sản xuất nhỏ, phù hợp với phòng thí nghiệm hoặc pilot plant.

1.2. Cơ sở lý thuyết chưng cất

Chưng cất là phương pháp tách dựa trên sự khác biệt điểm sôi của các cấu tử trong hỗn hợp. Đối với hệ Benzen-Toluen, đây là hệ lý tưởng, tuân theo định luật Raoult. Cân bằng lỏng-hơi của hệ được biểu diễn qua đồ thị y-x, trong đó đường cân bằng nằm trên đường chéo. Quá trình chưng cất liên tục diễn ra trên các tầng lý thuyết, tại đó pha hơi và pha lỏng tiếp xúc đạt cân bằng. Số tầng lý thuyết được xác định bằng phương pháp đồ thị McCabe-Thiele, vẽ đường thao tác từ nồng độ đầu vào đến đầu ra. Hệ số tinh luyện nội bộ R ảnh hưởng trực tiếp đến số tầng và chất lượng sản phẩm.

II. Phân tích các thông số và bài toán thiết kế

Bài toán thiết kế tháp mâm chóp bắt đầu với các dữ liệu đầu vào cơ bản. Nồng độ nhập liệu F đạt 40% Benzen khối lượng, sản phẩm đỉnh D yêu cầu 98% và sản phẩm đáy W chỉ 1%. Dựa trên cân bằng vật chất, lưu lượng sản phẩm đỉnh và đáy được tính toán chính xác. Số tầng lý thuyết xác định qua đồ thị McCabe-Thiele, kết hợp với hệ số tinh luyện R. Hệ số này thường lấy từ 1,2 đến 1,5 lần tinh luyện tối thiểu. Nhiệt độ sôi của Benzen là 80,1°C và Toluen là 110,6°C, tạo độ chênh lệch đủ lớn để phân tách hiệu quả. Áp suất vận hành chọn bằng áp suất khí quyển. Các tính toán nhiệt lượng cần thiết cho bình ngưng và nồi hơi cũng được xác định. Đường kính cột tính từ lưu lượng hơi最大穿过截面. Chiều cao cột phụ thuộc vào số tầng thực tế, khoảng cách giữa các mâm và vùng đệm.

2.1. Cân bằng vật chất và nhiệt lượng

2.2. Xác định kích thước cột chưng cất

III. Phương pháp thiết kế mâm chóp và thiết bị phụ trợ

Mâm chóp là loại mâm tháp phổ biến trong chưng cất công nghiệp, hoạt động dựa trên nguyên lý hơi đi qua ống riser vào trong chóp, phân tán thành bọt nhỏ qua khe rồi hòa tan vào lớp lỏng trên mâm. Thiết kế mâm chóp bao gồm xác định số lượng chóp, kích thước chóp, chiều cao gờ chảy tràn và bố trí trên mâm. Các chóp thường được sắp xếp theo hình tam giác đều để tận dụng diện tích mâm. Kích thước chân chóp chọn khoảng 15 mm, chiều cao gờ chảy tràn 45 mm, bề rộng khe 5 mm. Đáy và nắp tháp dạng elip tiêu chuẩn, làm bằng thép không gỉ X18H10T. Thiết bị phụ trợ bao gồm bình ngưng tụ và nồi hơi. Bình ngưng sử dụng nước làm tác nhân làm nguội. Nồi hơi dùng hơi nước áp suất 2,5 at để gia nhiệt dòng đáy. Diện tích truyền nhiệt được tính từ hệ số truyền nhiệt K và độ chênh nhiệt độ trung bình logarithmic.

3.1. Cấu tạo và nguyên lý mâm chóp

3.2. Tính toán thiết bị truyền nhiệt

IV. Kết luận và ứng dụng thực tế của tháp mâm chóp

Đồ án thiết kế tháp mâm chóp chưng cất Benzen-Toluen hoàn thành các yêu cầu kỹ thuật đặt ra. Kết quả tính toán cho thấy tháp đạt năng suất 200 l/h sản phẩm đỉnh với độ tinh khiết 98% Benzen khối lượng. Số tầng lý thuyết xác định phù hợp với điều kiện vận hành thực tế, có xét đến hiệu suất mâm. Kích thước cột, mâm chóp và thiết bị phụ trợ được tối ưu hóa dựa trên nguyên tắc thiết kế tiêu chuẩn. Bài toán chứng minh khả năng áp dụng phương pháp chưng cất để tách hệ Benzen-Toluen hiệu quả. Kết quả thiết kế thể hiện qua hai bản vẽ A1 chi tiết, phục vụ cho việc chế tạo và vận hành. Đồ án là nền tảng để mở rộng quy mô hoặc áp dụng cho các hệ hỗn hợp tương tự có điểm sôi cách biệt đủ lớn. Kiến thức thu được có giá trị thực tiễn trong ngành sản xuất hóa chất cơ bản tại Việt Nam.

4.1. Ưu điểm và hạn chế thiết kế

4.2. Ứng dụng và hướng phát triển

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐAMH Quá trình & Thiết bị GVHD : Phan Đình Tuấn BOÄ GIAÙO DUÏC VAØ ÑAØO TAÏO COÄNG HOØA XAÕ HOÄI CHUÛ NGHÓA VIEÄT NAM TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC BAÙCH KHOA Ñoäc laäp – Töï do – Haïnh phuùc Thaønh phoá Hoà Chí Minh Khoa: Coâng ngheä Hoùa & Thöïc phaåm Boä moân: Quaù trình vaø Thieát bò ÑOÀ AÙN MOÂN HOÏC: ÑOÀ AÙN MOÂN HOÏC QT&TB. MAÕ SOÁ: 605040 Hoï vaø teân sinh vieân: Vũ Tiến Dũng Lôùp: HC06MB Ngaønh (neáu coù): Máy & Thiết Bị 1. Ñaàu ñeà ñoà aùn: Thieát keá thaùp mâm chóp chöng caát hoãn hôïp Benzen – Toluen coù naêng suaát 200 l/h tính theo saûn phaåm ñænh 2. Nhieäm vuï (noäi dung yeâu caàu vaø soá lieäu ban ñaàu): -Noàng ñoä nhaäp lieäu: F = 40%phaàn khoái löôïng -Noàng ñoä saûn phaåm ñænh: D = 98% phaàn khoái löôïng -Noàng ñoä saûn phaåm ñaùy: W = 1% phaàn khoái löôïng -Nguoàn naêng löôïng vaø caùc thoâng soá khaùc töï choïn 3. Noäi dung caùc phaàn thuyeát minh vaø tính toaùn: Xem ôû phaàn muïc luïc 4. Caùc baûn veõ vaø ñoà thò (loaïi vaø kích thöôùc baûn veõ): Goàm 2 baûn veõ A1: baûn veõ quy trình coâng ngheä vaø baûn veõ chi tieát thieát bò 5. Ngaøy giao ñoà aùn: 6/10/2009 6. Ngaøy hoaøn thaønh ñoà aùn: 18/01/2010 7. Ngaøy baûo veä hay chaám: 25/01/2010 Ngaøy 6 thaùng 10 naêm 2009 CHUÛ NHIEÄM BOÄ MOÂN NGÖÔØI HÖÔÙNG DAÃN (Kyù vaø ghi roõ hoï teân) (Kyù vaø ghi roõ hoï teân) Trang 1 ĐAMH Quá trình & Thiết bị GVHD : Phan Đình Tuấn NHAÄN XEÙT ÑOÀ AÙN Caùn boä höôùng daãn. Nhaän xeùt:_________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ Ñieåm:__________________ Chöõ kyù:______________________ Caùn boä chaám hay Hoäi ñoàng baûo veä. Nhaän xeùt:_____________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ Ñieåm:__________________ Chöõ kyù:______________________ Ñieåm toång keát: Trang 2 ĐAMH Quá trình & Thiết bị GVHD : Phan Đình Tuấn LỜI MỞ ĐẦU Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển đóng góp to lớn cho nền công nghiệp nước ta nói riêng và thế giới nói chung. Một trong những ngành có đóng góp vô cùng to lớn đó là ngành công nghiệp hoá học, đặc biệt là ngành sản xuất các hoá chất cơ bản. Hiện nay, các ngành công nghiệp cần sử dụng rất nhiều hoá chất có độ tinh khiết cao. Nhu cầu này đặt ra cho các nhà sản xuất hoá chất sử dụng nhiều phương pháp để nâng cao độ tinh khiết của sản phẩm như : trích ly, chưng cất, cô đặc, hấp thu … Tuỳ theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có sự lựa chọn phương pháp cho phù hợp. Đối với hệ benzen – toluen là hệ 2 cấu tử tan lẫn vào nhau, ta chọn phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho benzen. Đồ án môn học Quá trình & Thiết bị là một môn học mang tính tổng hợp trong quá trình học tập của các kỹ sư Công nghệ Hoá học tương lai. Môn học này giúp sinh viên có thể tính toán cụ thể : quy trình công nghệ, kết cấu, giá thành của một thiết bị trong sản xuất hoá chất - thực phẩm. Đây là lần đầu tiên sinh viên được vận dụng các kiến thức đã học để giải quyết các vấn đề kỹ thuật thực tế một cách tổng hợp. Nhiệm vụ của đồ án là thiết kế tháp mâm chóp để chưng cất hỗn hợp Benzen – Toluen ở áp suất thưởng với năng suất theo sản phẩm đỉnh(Benzene) là 200 lít/h có nổng độ 98% phần khối lượng benzen, nồng độ sản phẩm đáy là 99% khối lượng Toluene,Nồng độ nhập liệu là 40% khối lượng Benzene, nhập liệu ở trạng thái lỏng sôi. Trang 3 ĐAMH Quá trình & Thiết bị GVHD : Phan Đình Tuấn MUÏC LUÏC Lời mở đầu.3 CHÖÔNG 1 : TỔNG QUAN . Lý thuyết về chưng cất. Giới thiệu sơ bộ về nguyên liệu.7 CHÖÔNG 2 : QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ.9 CHÖÔNG 3 : CAÂN BAÈNG VAÄT CHAÁT. Caùc thoâng soá ban ñaàu . Xaùc ñònh suaát löôïng saûn phaåm ñænh vaø saûn phaåm ñaùy thu ñöôïc. Xaùc ñònh tæ soá hoaøn löu laøm vieäc. Xaùc ñònh phöông trình ñöôøng laøm vieäc – Soá maâm lyù thuyeát. Xaùc ñònh soá maâm thöïc teá.14 CHÖÔNG 4 : TÍNH TOAÙN THAÙP CHÖNG CAÁT. Đường kính đoạn cất. Đường kính đoạn chưng. Trở lực của tháp.20 CHÖÔNG 5 : CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt nhập liệu. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đáy. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh. Nhiệt lượng cung cấp cho đáy tháp.23 CHƯƠNG 6: TÍNH TOÁN CƠ KHÍ. Tính toán thân tháp. Tính toán chóp. Tính toán đáy nắp thiết bị. Bích ghép thân. Đường kính các ống dẫn – Bích ghép ống dẫn. Chân đỡ - tai treo.31 CHÖÔNG 7 : TÍNH TOAÙN THIEÁT BÒ PHU. Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh . Thieát bò ñun soâi ñaùy thaùp. Thieát bò laøm nguoâïi saûn phaåm ñænh. Thieát bò laøm nguoäi saûn phaåm ñaùy. Thiết bị đun sôi nhập liệu.47 Trang 4 ĐAMH Quá trình & Thiết bị GVHD : Phan Đình Tuấn VI. Bồn cao vị.54 Taøi lieäu tham khaûo.54 Trang 5 ĐAMH Quá trình & Thiết bị GVHD : Phan Đình Tuấn Chương 1 : TỔNG QUAN I. LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG 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 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 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 :  Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt độ sôi nhỏ)  Sản phẩm đỉnh 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. Phương pháp chưng cất : Các phương pháp chưng cất được phân loại theo : - Áp suất làm việc :  Áp suất thấp  Áp suất thường  Áp suất cao  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 :  Chưng một bậc  Chưng lôi cuốn theo hơi nước  Chưng cất - Cấp nhiệt ở đáy tháp :  Cấp nhiệt trực tiếp  Cấp nhiệt gián tiếp Vậy : Đối với hệ Benzen – Toluen, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục 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 Trang 6 ĐAMH Quá trình & Thiết bị GVHD : Phan Đình Tuấn 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 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 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 : Tháp chêm Tháp mâm xuyên lỗ Tháp chóp - Cấu tạo khá đơn giản. - Trở lực tương đối thấp. - Khá ổn định. - Trở lực thấp. - Hiệu suất khá cao. - Hiệu suất cao. Ưu - Làm việc được với chất lỏng bẩn điểm nếu dùng đệm cầu có    của chất lỏng. - Do có hiệu ứng thành  hiệu suất - Không làm việc được - Có trở lực lớn. truyền khối thấp. với chất lỏng bẩn. - Tiêu tốn nhiều - Độ ổn định không cao, khó vận - Kết cấu khá phức tạp. vật tư, kết cấu Nhược hành. điểm - Do có hiệu ứng thành  khi tăng năng suất thì hiệu ứng thành tăng  khó tăng năng suất. - Thiết bị khá nặng nề. Vậy :qua phân tích trên ta sử dụng tháp mâm chóp để chưng cất hệ Benzen – Toluen. GIỚI THIỆU VỀ NGUYÊN LIỆU : 1. Benzen & Toluen : Benzen: là một hợp chất mạch vòng, ở dạng lỏng không màu và có mùi thơm nhẹ.Công thức phận tử là C6H6. 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 thường sử dụng benzen làm dung môi. Tuy nhiên sau đó người ta phát hiện ra rằng nồng độ benzen trong không khí chỉ cần thấp khoảng 1ppm cũng có khả năng gây ra bệnh bạch cầu, nên ngày nay benzen được sử dụng hạn chế hơn Các tính chất vật lí của benzen: o Khối lượng phân tử: 78,11 o Tỉ trọng(200C): 0,879 o Nhiệt độ sôi: 80oC 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 –CH3. Không phân cực,do đó toluen tan tốt trong benzen.Toluen có tính chất dung môi tương tự benzen nhưng độc tính thấp hơn nhiều, nên ngày nay thường được sử dụng thay benzen làm dung môi trong phòng thí nghiệm và trong công nghiệp.