Đồ án môn học: Thiết kế tháp chưng luyện liên tục hai cấu tử Benzen và Tooluen

Đồ án môn học  Nguyễn Đức Toàn LỜI NÓI ĐẦU Chưng cất là phương pháp dùng để tách các hỗn hợp lỏng cũng như các hỗn hợp khí - lỏng thành các cấu tử riêng biệt, dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp. Chúng ta có thể thực hiện nhiều biện pháp chưng cất khác nhau như chưng cất gián đoạn, chưng cất liên tục, chưng cất đơn giản, chưng cất đặc biệt. Khi chưng cất, hỗn hợp đầu có bao nhiêu cấu tử thì ta thu được bấy nhiêu cấu tử sản phẩm. Theo đề bài thì hỗn hợp đầu gồm 2 cấu tử là Benzen và Toluen nên được gọi là chưng cất hỗn hợp 2 cấu tử. Trong phần đồ án này hỗn hợp hai cấu tử Benzen – Toluen được phân tách thành hai cấu tử riêng biệt nhờ phương pháp chưng cất liên tục với tháp chưng luyện là loại tháp đệm, làm việc ở áp suất thường (1at) với hỗn hợp đầu vào ở nhiệt độ sôi. Sau quá trình chưng cất, ta thu được sản phẩm đỉnh là cấu tử có độ bay hơi lớn hơn (Benzen) và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi bé hơn (Toluen). Sản phẩm đáy gồm hầu hết các cấu tử khó bay hơi (Toluen) và một phần rất ít cấu tử dề bay hơi (Benzen). Trong suốt quá trình tính toán và thiết kế , đặc biệt đƣợc sự hƣớng dẫn trực tiếp và giúp đỡ nhiệt tình của cô Lê Ngọc Thuỵ bản đồ án thiết kế tháp chƣng luyện liên tục hai cấu tử Benzen và Tooluen đã hoàn thành với các nội dung sau: Phần I: Sơ đồ công nghệ và các chế độ thuỷ động của tháp. Phần II: Tính toán, thiết kế thiết bị chính. Phần III: Tính toán cân bằng nhiệt lƣợng. Phần VI: Tính toán cơ khí. Phần V: Tính toán các thiết bị cần thiết. Phần IV: Kết luận và nhận xét. Trường ĐHBK – Hà Nội - 3- Líp Ho¸ GiÊy - K44 Đồ án môn học  Nguyễn Đức Toàn SƠ ĐỒ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ VÀ CHẾ ĐỘ THUỶ ĐỘNG CỦA THÁP I. SƠ ĐỒ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT. (HÌNH 1): Nguyên liệu đầu được chứa trong thùng chứa (1) và được bơm (2) bơm lên thùng cao vị (3). Mức chất lỏng cao nhất và thấp nhất ở thùng cao vị được khống chế bởi của chảy tràn. Hỗn hợp đầu từ thùng cao vị (3) tự chảy xuống thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu (4), quá trình tự chảy này được theo dõi bằng đồng hồ lưu lượng. Tại thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu (4) (dùng hơi nước bão hoà), hỗn hợp đầu được gia nhiệt tới nhiệt độ sôi, sau khi đạt tới nhiệt độ sôi, hỗn hợp này được đưa vào đĩa tiếp liệu của tháp chưng luyện loại tháp đệm (5). Trong tháp, hơi đi từ dưới lên tiếp xúc trực tiếp với lỏng chảy từ trên xuống, tại đây xảy ra quá trình bốc hơi và ngưng tụ nhiều lần. Theo chiều cao của tháp, càng lên cao thì nhiệt độ càng thấp nên khi hơi đi qua các tầng đệm từ dưới lên, cấu tử có nhiệt độ sôi cao sẽ ngưng tụ. Quá trình tiếp xúc lỏng – hơi trong tháp diễn ra liên tục làm cho pha hơi ngày càng giầu cấu tử dễ bay hơi, pha lỏng ngày càng giầu cấu tử khó bay hơi. Cuối cùng trên đỉnh tháp ta sẽ thu được hầu hết là cấu tử dễ bay hơi (Benzen) và một phần rất ít cấu tử khó bay hơi (Toluen). Hỗn hợp hơi này được đi vào thiết bị ngưng tụ (6) và tại đây nó được ngưng tụ hoàn toàn (tác nhân là nước lạnh). Một phần chất lỏng sau ngưng tụ chưa đạt yêu cầu được đi qua thiết bị phân dòng (7) để hồi lưu trở về đỉnh tháp, phần còn lại được đưa vào thiết bị làm lạnh (8) để làm lạnh đến nhiệt độ cần thiết sau đó đi vào thùng chứa sản phẩm đỉnh (10). Chất lỏng hồi lưu đi từ trên xuống dưới, gặp hơi có nhiệt độ cao đi từ dưới lên, một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp lại bốc hơi đi lên, một phần cấu tử khó bay hơi trong pha hơi sẽ ngưng tụ đi xuống. Do đó nồng độ cấu tử khó bay hơi trong pha lỏng ngày càng tăng, cuối cùng ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng gồm hầu hết là cấu tử khó bay hơi (Toluen) một phần rất ít cấu tử dễ bay hơi (Benzen), hỗn hợp lỏng này được đưa ra khỏi đáy tháp, qua thiết bị phân dòng, một phần được đưa ra thùng chứa sản phẩm đáy (11), một phần được tận dụng đưa vào nồi đun sôi đáy tháp (9) dùng hơi nước bão hoà. Thiết bị (9) này có tác dụng đun sôi tuần hoàn và bốc hơi hỗn hợp đáy (tạo dòng hơi đi từ dưới lên trong tháp). Nước ngưng của thiết bị gia nhiệt được tháo qua thiết bị tháo nước ngưng (12). Tháp chưng luyện làm việc ở chế độ liên tục, hỗn hợp đầu vào và sản phẩm được lấy ra liện tục. II. CHẾ ĐỘ THUỶ ĐỘNG CỦA THÁP ĐỆM: Trong tháp đệm có 3 chế độ thuỷ động là chế độ chảy dòng, chế độ quá độ và chế độ xoáy. Trường ĐHBK – Hà Nội - 4- Líp Ho¸ GiÊy - K44 Đồ án môn học  Nguyễn Đức Toàn Khi vận tốc khí bé, lực hút phân tử lớn hơn và vượt lực lỳ. Lúc này quá trình chuyển khối được xác định bằng dòng khuyếch tán phân tử. Tăng vận tốc lên lực lỳ trở nên cân bằng với lực hút phân tử. Quá trình chuyển khối lúc này không chỉ được quyết định bằng khuyếch tán phân tử mà cả bằng khuyếch tán đối lưu. Chế độ thuỷ động này gọi là chế độ quá độ. Nếu ta tiếp tục tăng vận tốc khí lên nữa thì chế độ quá độ sẽ chuyển sang chế độ xoáy. Trong giai đoạn này quá trình khuyếch tán sẽ được quyết định bằng khuyếch tán đối lưu. Nếu ta tăng vận tốc khí lên đến một giới hạn nào đó thì sẽ xảy ra hiện tượng đảo pha. Lúc này chất lỏng sẽ chiếm toàn bộ tháp và trở thành pha liên tục, còn pha khí phân tán vào trong chất lỏng và trở thành pha phân tán. Vận tốc khí ứng với thời điểm này gọi là vận tốc đảo pha. Khí sục vào lỏng và tạo thành bọt vì thế trong giai đoạn này chế độ làm việc trong tháp gọi là chế độ sủi bọt. Ở chế độ này vận tốc chuyển khối tăng nhanh, đồng thời trở lực cũng tăng nhanh. Trong thực tế, ta thường cho tháp đệm làm việc ở chế độ màng có vận tốc nhỏ hơn vận tốc đảo pha một ít vì quá trình chuyển khối trong giai đoạn sủi bọt là mạnh nhất, nhưng vì trong giai đoạn đó ta sẽ khó khống chế quá trình làm việc. * Ưu điểm của tháp đệm: + Hiệu suất cao vì bề mặt tiếp xúc pha lớn. + Cấu tạo tháp đơn giản. + Trở lực trong tháp không lớn lắm. + Giới hạn làm việc tương đối rộng. * Nhược điểm. + Khó làm ướt đều đệm. + Tháp cao quá thì phân phối chất lỏng không đều. * Bảng kê các ký hiệu thường dùng trong bản đồ án: - F: Lượng hỗn hợp đầu, kg/h (hoặc kg/s, kmol/h) - P: Lượng sản phẩm đỉnh, kg/h (hoặc kg/s, kmol/h) - W: Lượng sản phảm đáy, kg/h (hoặc kg/s, kmol/h) - Các chỉ số F, P, W, A, B : tương ứng chỉ đại lượng đó thuộc về hỗn hợp đầu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy của Axeton và Benzen. - a: nồng độ phần khối lượng, kg axeton/kg hỗn hợp - x: nồng độ phần mol, kmol axeton/kmol hỗn hợp - M: Khối lượng mol phân tử, kg/kmol - : độ nhớt, Ns/m2 - : khối lượng riêng, kg/m3 Trường ĐHBK – Hà Nội - 5- Líp Ho¸ GiÊy - K44 Đồ án môn học  Nguyễn Đức Toàn - Các chỉ số A, B, x, y, hh: tương ứng chỉ đại lượng thuộc về cấu tử axeton, benzen, thành phần lỏng, thành phần hơi và hỗn hợp. - Ngoài ra các ký hiệu cụ thể khác được định nghĩa tại chỗ. PHẦN III TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH I. TÍNH CÂN BẰNG VẬT LIỆU: 1. Tính toán cân bằng vật liệu: - Phương trình cân bằng vật liệu chung cho toàn tháp. F = P + W - Đối với cấu tử dễ bay hơi FaF = Pap + Waw - Lượng sản phẩm đỉnh là: P = F.aF −aw p w [II – 144] [II – 144] Trong đó: F: năng suất tính theo hỗn hợp đầu, kg/s hoặc kg/h aF, ap, aw: lần lượt là nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp đầu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy, phần khối lượng Đầu bài cho F = 3,5 kg/s hay F = 3,5.3600 = 12.600kg/h. Vậy ta có lượng sản phẩm đỉnh là: P = F.ap −aw =12600.0,98−0,02 = 2.800kg/h - Lượng sản phẩm đáy là: W = F - P = 12.600 – 2.800 = 9.800 kg/h 2. Đổi nồng độ phần khối lƣợng sang nồng độ phần mol của aF, ap, aw: Áp dụng công thức aA x = aA MA aB [II – 126] MA MB Trường ĐHBK – Hà Nội - 6- Líp Ho¸ GiÊy - K44 Đồ án môn học  Nguyễn Đức Toàn Trong đó: aA, aB: nồng độ phần khối lượng của Benzen và Toluen Ma, MB: khối lượng mol phân tử của Benzen và Toluen Với MA = MC6H6 = 78 kg/kmol MB = MC7H8 = 92 kg/kmol Thay số liệu vào ta có: aF 0,28 xF = aF M1−aF ) = 0,28 1−0,28 = 0,314phần mol MA MB 78 92 aP 0,98 xP = aP M1−aP ) = 0,98 1−0,98 = 0,983 phần mol MA MB 78 92 aw 0,02 xw = aw M1−aw ) = 0,02 1−0,02 = 0,024 phần mol MA MB 78 92 3. Tính khối lƣợng phân tử trung bình của hỗn hợp đầu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy: Theo công thức: M = x.MA + (1 - x)MB Trong đó: M: Khối lượng phân tử trung bình, kg/kmol x: Nồng độ phần mol - Khối lượng phân tử trung bình của sản phẩm đỉnh: Mp = xp.MA + (1 - xp)MB Mp = 0,983.78 +(1- 0,983).92 Mp = 87,604 kg/kmol - Khối lượng phân tử trung bình của hỗn hợp đầu: MF = xF.MA + (1 - xF)MB MF = 0,314.78 +(1- 0,314).92 MF = 78,238 kg/kmol Trường ĐHBK – Hà Nội - 7- Líp Ho¸ GiÊy - K44 ... - tailieumienphi.vn