THIẾT KẾ THÁP MÂM CHÓP CHƯNG CẤT HỖN HỢP BENZENE TOLUENE CÓ NĂNG SUẤT NHẬP LIỆU 2500 KGH (Autocad + thuyết minh chi tiết)
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (783.9 KB, 119 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC VÀ THỰC PHẨM
BỘ MƠN CƠNG NGHỆ HĨA HỌC
ĐỒ ÁN MƠN HỌC
Q TRÌNH THIẾT BỊ
THIẾT KẾ THÁP MÂM CHĨP CHƯNG CẤT
HỖN HỢP BENZENE – TOLUENE
CÓ NĂNG SUẤT NHẬP LIỆU 2500 KG/H
GVHD: TS. HỒ PHƯƠNG
SVTH: 1. Huỳnh Thị Bích Hồng - 18128018
2. Trương Mỹ Quỳnh
- 18128051
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2021
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM
KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC VÀ THỰC PHẨM
BỘ MƠN CƠNG NGHỆ HĨA HỌC
---oOo--NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN MÔN HỌC MÁY VÀ THIẾT BỊ
Giáo viên hướng dẫn: TS. Hồ Phương
Họ và tên sinh viên thực hiện:
MSSV
1. Huỳnh Thị Bích Hồng
18128018
2. Trương Mỹ Quỳnh
18128051
1. Tên đồ án: THIẾT KẾ THÁP MÂM CHÓP CHƯNG CẤT HỖN HỢP
BENZENE – TOLUENE CÓ NĂNG SUẤT NHẬP LIỆU 2500 KG/H
2. Nhiệm vụ của đồ án: Thiết kế tháp mâm chóp chưng cất hỗn hợp benzene –
toluene có năng suất nhập liệu 2500 kg/h.
3. Các số liệu ban đầu:
Năng suất nhập liệu: 2500 kg/h
Nồng độ nhập liệu: 30% benzene (% khối lượng), nhiệt độ thường.
Nồng độ sản phẩm đỉnh: 98% benzene (% khối lượng), nhiệt độ thường.
Nồng độ sản phẩm đáy: 2% benzene (% khối lượng).
Các số liệu khác tự chọn.
4. Yêu cầu về phần thuyết minh và tính tốn:
Giới thiệu chung về chưng cất, thiết bị chưng cất, các tính chất của nguyên liệu.
Chọn và thuyết minh quy trình cơng nghệ hệ thống chưng cất.
Tính tốn cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng của hệ chưng cất.
Tính tốn các thơng số cơng nghệ của tháp chưng cất.
Tính cơ khí của tháp chưng cất (bề dày, mặt bích, bu lơng, …).
Tính tốn và chọn các thiết bị phụ.
Tính tốn giá thành thiết bị.
Kết luận.
5. u cầu về trình bày bản vẽ:
Bản vẽ quy trình cơng nghệ: 01 bản vẽ in khổ A3 và 01 bản vẽ in khổ A1.
Bản vẽ thiết bị chính: 01 bản vẽ in khổ A3 và 01 bản vẽ in khổ A1.
6. Yêu cầu khác: Thực hiện và thông qua đồ án đúng tiến độ.
7. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 15/3/2021
8. Ngày hồn thành đồ án: 15/7/2021
TRƯỞNG BỘ MƠN
Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2021
Giảng viên hướng dẫn
TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC – THỰC PHẨM
BỘ MƠN CƠNG NGHỆ HĨA HỌC
PHIẾU ĐÁNH GIÁ CỦA
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
---------------------------------
MƠN HỌC: ĐỒ THIẾT KẾ MÁY THIẾT BỊ - HỌC KỲ 2 – NĂM HỌC 2020 – 2021
MÃ MÔN HỌC: PWPD322703
1. GVHD: TS. HỒ PHƯƠNG
2. Sinh viên: Huỳnh Thị Bích Hồng
3. MSSV: 18128018
4. Tên đề tài: THIẾT KẾ THÁP MÂM CHÓP CHƯNG CẤT HỖN HỢP
BENZENE – TOLUENE CÓ NĂNG SUẤT NHẬP LIỆU 2500 KG/H
5. Kết quả đánh giá
STT
Nội dung
Thang
Điểm
điểm
số
1
Xác định được đối tượng và u cầu thiết kế
0 – 1,0
1,0
2
Lập qui trình cơng nghệ và tính tốn được các chi tiết thiết bị
0 – 2,5
2,25
3
Đánh giá được sự phù hợp, điểm mạnh, yếu của thiết kế
0 – 0,75
0,5
4
Lập được kế hoạch triển khai thực hiện thiết kế
0 – 0,75
0,75
5
Lập được bản vẽ với phần mềm chuyên dụng
0 – 2,5
2,25
6
Hoàn thành thuyết minh thiết kế đầy đủ, chính xác và logic
0 – 1,0
0,75
7
Hồn thành trách nhiệm cá nhân trong nhóm
0 – 0,75
0,75
8
Thực hiện đúng kế hoạch công việc được GV giao
0 – 0,75
0,75
10
9,0
TỔNG ĐIỂM (Bằng chữ: chín)
Ghi chú: GV HƯỚNG DẪN cho điểm lẻ tới 0,25 điểm
6. Các nhận xét khác (nếu có)
7. Kết luận
� Được phép bảo vệ
(Ký & ghi rõ họ tên)
Không được phép bảo vệ : ◻
Ngày …… tháng 8 năm 2021
Người nhận xét
Hồ Phương
TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC – THỰC PHẨM
BỘ MƠN CƠNG NGHỆ HĨA HỌC
PHIẾU ĐÁNH GIÁ CỦA
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
---------------------------------
MƠN HỌC: ĐỒ THIẾT KẾ MÁY THIẾT BỊ - HỌC KỲ 2 – NĂM HỌC 2020 – 2021
MÃ MÔN HỌC: PWPD322703
1. GVHD: TS. HỒ PHƯƠNG
2. Sinh viên: Trương Mỹ Quỳnh
3. MSSV: 18128051
4. Tên đề tài: THIẾT KẾ THÁP MÂM CHÓP CHƯNG CẤT HỖN HỢP
BENZENE – TOLUENE CÓ NĂNG SUẤT NHẬP LIỆU 2500 KG/H
5. Kết quả đánh giá
STT
Nội dung
Thang
Điểm
điểm
số
1
Xác định được đối tượng và u cầu thiết kế
0 – 1,0
1,0
2
Lập qui trình cơng nghệ và tính tốn được các chi tiết thiết bị
0 – 2,5
2,25
3
Đánh giá được sự phù hợp, điểm mạnh, yếu của thiết kế
0 – 0,75
0,5
4
Lập được kế hoạch triển khai thực hiện thiết kế
0 – 0,75
0,75
5
Lập được bản vẽ với phần mềm chuyên dụng
0 – 2,5
2,25
6
Hoàn thành thuyết minh thiết kế đầy đủ, chính xác và logic
0 – 1,0
0,75
7
Hồn thành trách nhiệm cá nhân trong nhóm
0 – 0,75
0,75
8
Thực hiện đúng kế hoạch công việc được GV giao
0 – 0,75
0,75
TỔNG ĐIỂM (Bằng chữ: chín)
10
9,0
Ghi chú: GV HƯỚNG DẪN cho điểm lẻ tới 0,25 điểm
6. Các nhận xét khác (nếu có)
7. Kết luận
� Được phép bảo vệ
Không được phép bảo vệ : ◻
Ngày …… tháng 8 năm 2021
Người nhận xét
(Ký & ghi rõ họ tên)
Hồ Phương
TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC – THỰC PHẨM
BỘ MƠN CƠNG NGHỆ HĨA HỌC
PHIẾU ĐÁNH GIÁ CỦA
GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
---------------------------------
MÔN HỌC: ĐỒ THIẾT KẾ MÁY THIẾT BỊ - HỌC KỲ 2 – NĂM HỌC 2020 – 2021
MÃ MÔN HỌC: PWPD322703
1. GVPB: ThS. TRẦN TẤN ĐẠT
2. Sinh viên: Huỳnh Thị Bích Hồng
3. MSSV: 18128018
4. Tên đề tài: THIẾT KẾ THÁP MÂM CHÓP CHƯNG CẤT HỖN HỢP
BENZENE – TOLUENE CÓ NĂNG SUẤT NHẬP LIỆU 2500 KG/H
5. Kết quả đánh giá
STT
Nội dung
Thang
Điểm
điểm
số
1
Lập qui trình cơng nghệ và tính tốn được các chi tiết thiết bị
0 – 2,5
2
Lập được bản vẽ với phần mềm chuyên dụng
0 – 2,5
3
Hoàn thành thuyết minh thiết kế đầy đủ, chính xác và logic
0 – 1,0
4
Trình bày được những nội dung cốt lõi của đồ án
0 – 1,0
5
Trả lời được các câu hỏi phản biện
0 – 3,0
TỔNG ĐIỂM (Bằng chữ:……………………………………….)
10
Ghi chú: GV PHẢN BIỆN cho điểm lẻ tới 0,25 điểm
6. Các nhận xét khác (nếu có)
Ngày …… tháng 8 năm 2021
Người phản biện
(Ký & ghi rõ họ tên)
TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC – THỰC PHẨM
BỘ MƠN CƠNG NGHỆ HĨA HỌC
PHIẾU ĐÁNH GIÁ CỦA
GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
---------------------------------
MƠN HỌC: ĐỒ THIẾT KẾ MÁY THIẾT BỊ - HỌC KỲ 2 – NĂM HỌC 2020 – 2021
MÃ MÔN HỌC: PWPD322703
1. GVPB: ThS. TRẦN TẤN ĐẠT
2. Sinh viên: Trương Mỹ Quỳnh
3. MSSV: 18128051
4. Tên đề tài: THIẾT KẾ THÁP MÂM CHÓP CHƯNG CẤT HỖN HỢP
BENZENE – TOLUENE CÓ NĂNG SUẤT NHẬP LIỆU 2500 KG/H
5. Kết quả đánh giá
STT
Nội dung
Thang
Điểm
điểm
số
1
Lập qui trình cơng nghệ và tính tốn được các chi tiết thiết bị
0 – 2,5
2
Lập được bản vẽ với phần mềm chuyên dụng
0 – 2,5
3
Hồn thành thuyết minh thiết kế đầy đủ, chính xác và logic
0 – 1,0
4
Trình bày được những nội dung cốt lõi của đồ án
0 – 1,0
5
Trả lời được các câu hỏi phản biện
0 – 3,0
TỔNG ĐIỂM (Bằng chữ:……………………………………….)
10
Ghi chú: GV PHẢN BIỆN cho điểm lẻ tới 0,25 điểm
6. Các nhận xét khác (nếu có)
Ngày …… tháng 8 năm 2021
Người phản biện
(Ký & ghi rõ họ tên)
LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian gần 4 tháng thực hiện và hoàn thành đồ án, chúng em đã nhận được sự
quan tâm, chỉ dạy, giúp đỡ của thầy cô, gia đình và bạn bè xung quanh.
Chúng em xin chân thành cảm ơn TS. Hồ Phương – người đã trực tiếp hướng dẫn, tận
tình chỉ dạy, giúp chúng em nhận ra lỗi sai và kịp thời sửa chữa trong suốt thời gian
thực hiện đồ án. Chúng em xin cảm ơn quý Thầy Cơ khoa Cơng nghệ Hóa học và
Thực phẩm đã tận tâm giảng dạy, truyền đạt kiến thức nền tảng, giúp chúng em có
những kiến thức để hồn thiện đồ án thiết kế máy này.
Lời cảm ơn đến bạn trong nhóm thiết kế tháp chưng cất mâm chóp, chúng ta đã hợp
tác rất ăn ý và học hỏi nhau nhiều điều bổ ích.
Thơng qua việc làm đồ án, chúng em được biết thêm nhiều kiến thức mới, đồng thời
hệ thống lại và vận dụng các kiến thức đã học vào việc tính tốn, thiết kế thiết bị đưa
vào thực tiễn. Tuy nhiên, do kiến thức chuyên môn, điều kiện nghiên cứu tài liệu và
thời gian cịn hạn chế, chưa có nhiều kinh nghiệm nên khơng thể tránh khỏi những
thiếu sót. Vì vậy, nhóm kính mong nhận được những ý kiến đóng góp và sửa chữa từ
q thầy cơ để đồ án được hoàn thiện hơn.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!
MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU
1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
2
1.1. Tổng quan về sản phẩm
1.1.1. Benzene
2
2
1.1.1.1. Tính chất vật lý
2
1.1.1.2. Điều chế
2
1.1.1.3. Ứng dụng
1.1.2. Toluene
3
3
1.1.2.1. Tính chất vật lý
3
1.1.2.2. Điều chế
4
1.1.2.3. Ứng dụng
4
1.1.3. Hỗn hợp Benzene – Toluene
5
1.2. Phương pháp và thiết bị chưng cất
6
1.2.1. Phương pháp chưng cất
6
1.2.1.1. Khái niệm
6
1.2.1.2. Phân loại
7
1.2.2. Thiết bị chưng cất
8
CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ
10
2.1. Lựa chọn quy trình cơng nghệ
10
2.2. Sơ đồ quy trình cơng nghệ chưng cất Benzene – Toluene
11
2.3. Thuyết minh quy trình cơng nghệ
12
CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG
3.1. Cân bằng vật chất
13
13
3.1.1. Các thông số ban đầu
13
3.1.2. Tính tốn các dịng
14
3.1.3. Tỷ số hồn lưu
16
3.1.3.1. Tỷ số hoàn lưu tối thiểu
16
3.1.3.2. Tỷ số hoàn lưu tối ưu
16
3.1.4. Phương trình làm việc và xác định số mâm
16
3.1.4.1. Phương trình làm việc phần cất
16
3.1.4.2. Phương trình làm việc phần chưng
16
3.1.4.3. Số mâm lý thuyết và số mâm thực tế
17
3.2. Cân bằng năng lượng
20
3.2.1. Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào tháp
21
3.2.2. Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp
21
3.2.3. Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra
22
3.2.4. Nhiệt lượng ngưng tụ do hơi sản phẩm đỉnh ngưng tụ thành lỏng
22
3.2.5. Nhiệt lượng cần cung cấp cho nồi đun ở đáy tháp
23
3.2.6. Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh
23
CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN – THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT
24
4.1. Tính đường kính tháp chưng cất
24
4.1.1. Đường kính của đoạn cất
24
4.1.1.1. Lượng hơi trung bình đi trong đoạn cất
24
4.1.1.2. Vận tốc hơi trung bình đi trong đoạn cất
26
4.1.1.3. Đường kính đoạn cất
28
4.1.2. Đường kính của đoạn chưng
28
4.1.2.1. Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng
28
4.1.2.2. Vận tốc trung bình đi trong đoạn chưng
29
4.1.2.3. Đường kính đoạn chưng
31
4.2. Tính chiều cao tháp chưng cất
31
4.3. Tính tốn chóp và ống chảy chuyền
32
4.3.1. Tính tốn chóp
32
4.3.2. Ống chảy chuyền
34
4.4. Tính trở lực tháp
37
CHƯƠNG 5: TÍNH TỐN CƠ KHÍ CỦA THÁP
40
5.1. Tính bề dày thân tháp
40
5.2. Tính đáy và nắp thiết bị
42
5.3. Bích
43
5.3.1. Bích và đệm ghép thân đáy và nắp
43
5.3.2. Đường kính các ống dẫn
44
5.3.2.1. Ống dẫn hơi vào thiết bị ngưng tụ
44
5.3.2.2. Đường kính ống dẫn dịng nhập liệu
45
5.3.2.3. Đường kính ống dẫn dịng sản phẩm đáy
45
5.3.2.4. Đường kính ống dẫn hơi từ nồi đun qua tháp
46
5.3.2.5. Ống dẫn dịng hồn lưu
47
5.3.3. Bích để nối các ống dẫn:
5.4. Tai treo, chân đỡ
47
48
5.4.1. Tính sơ bộ khối lượng tồn tháp
48
5.4.2. Tính chân đỡ tháp
51
5.4.3. Tính tai treo tháp
52
5.5. Tính lớp cách nhiệt
53
CHƯƠNG 6: TÍNH TỐN THIẾT BỊ PHỤ
6.1. Thiết bị nhiệt
6.1.1. Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh
55
55
55
6.1.1.1. Suất lượng nước làm lạnh cần dùng
55
6.1.1.2. Hiệu số nhiệt độ trung bình logarit
56
6.1.1.3. Hệ số truyền nhiệt K
56
6.1.1.4. Bề mặt truyền nhiệt trung bình
60
6.1.2. Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh
61
6.1.2.1. Suất lượng nước cần dùng để làm nguội sản phẩm đỉnh
62
6.1.2.2. Xác định bề mặt truyền nhiệt
62
6.1.3. Thiết bị gia nhiệt nhập liệu
67
6.1.3.1. Suất lượng hơi nước cần dùng
68
6.1.3.2. Xác định bề mặt truyền nhiệt
68
6.1.4. Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy
73
6.1.4.1. Suất lượng nước cần dùng để làm nguội sản phẩm đáy
74
6.1.4.2. Xác định bề mặt truyền nhiệt
74
6.1.5. Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy
79
6.1.5.1. Suất lượng hơi nước cần dùng
79
6.1.5.2. Xác định bề mặt truyền nhiệt
80
6.2. Bồn cao vị
6.2.1. Tổn thất đường ống
85
85
6.2.1.1. Tổn thất đường ống dẫn từ bồn chứa nguyên liệu đến bồn cao vị
85
6.2.1.2. Tổn thất đường ống dẫn đoạn qua thiết bị đun sôi nhập liệu
6.2.2. Chiều cao đặt bồn cao vị
6.3. Bơm
87
89
91
6.3.1. Năng suất
91
6.3.2. Cột áp
91
6.3.2.1. Trở lực trong ống
92
6.3.2.2. Cột áp của bơm
94
6.3.3. Công suất
94
CHƯƠNG 7: TÍNH KHỐI LƯỢNG VẬT TƯ VÀ CHI PHÍ
96
KẾT LUẬN
98
TÀI LIỆU THAM KHẢO
99
PHỤ LỤC: BẢNG TÓM TẮT CÁC KÝ HIỆU
100
DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1 Benzene
2
Hình 1.2 Toluene
3
Hình 1.3 Đồ thị cân bằng lỏng - hơi hai cấu tử benzene - toluene (x - y)
5
Hình 1.4 Đồ thị cân bằng lỏng – hơi hai cấu tử benzene – toluene (x – y – t)
6
Hình 2.1 Sơ đồ quy trình cơng nghệ chưng cất hỗn hợp benzene – toluene
11
Hình 3.1 Đồ thị xác định số mâm lý thuyết hệ benzene – toluene
17
Hình 4.1 Mơ hình phần mâm hiệu dụng
37
Hình 5.1 Đáy và nắp elip có gờ
43
Hình 5.2 Bích ghép thân
43
Hình 5.3 Bích nối các ống dẫn
47
Hình 5.4 Chân đỡ thiết bị đặt đứng
52
Hình 5.5 Tai treo thiết bị
53
CHƯƠNG 1:
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1 Thành phần cân bằng lỏng - hơi của hệ benzene - toluene
5
Bảng 1.2 So sánh ưu nhược điểm của các loại thiết bị chưng cất
8
Bảng 2.1 Chú thích các ký hiệu trong quy trình
11
Bảng 3.1 Thơng số các dịng
15
Bảng 5.1 Kích thước bích ghép thân với đáy và nắp
43
Bảng 5.2 Kích thước bề mặt đệm bịt kín
44
Bảng 5.3 Kích thước các bích nối các ống dẫn
48
Bảng 5.4 Kích thước đệm bít kín bích nối ống dẫn
49
Bảng 5.5 Kích thước chân đỡ thiết bị
52
Bảng 5.6 Kích thước tai treo
52
Bảng 7.1 Chi phí vật tư
97
LỜI MỞ ĐẦU
Một trong những ngành có sự đóng góp to lớn đến ngành cơng nghiệp nước ta nói
riêng và thế giới nói chung, đó là ngành Cơng nghệ Hóa học và đặc biệt là ngành hóa
chất cơ bản.
Hiện nay, trong nhiều ngành sản xuất hóa chất cũng như sử dụng sản phẩm hóa học,
địi hỏi nhu cầu sử dụng nguyên liệu hoặc sản phẩm có độ tinh khiết ngày càng cao
nhằm nâng cao hiệu quả của quy trình sản xuất hoặc đáp ứng nhu cầu sử dụng ngày
càng cao. Vì thế, các phương pháp nâng cao độ tinh khiết ln ln được cải tiến, đổi
mới để ngày càng hồn thiện hơn như: trích ly, chưng cất, cơ đặc, hấp thu,… Tùy theo
đặc tính yêu cầu mà ta lựa chọn phương pháp thích hợp nhất. Đối với hệ benzene –
toluene là hai cấu tử hịa tan lẫn hồn tồn, ta phải dùng phương pháp chưng cất để
tách các cấu tử trong hỗn hợp và thu được benzene có độ tinh khiết cao.
Đồ án mơn học Q trình và Thiết bị là một mơn học mang tính tổng hợp trong q
trình học tập của các Kỹ sư Hóa học trong tương lai. Mơn học giúp sinh viên giải
quyết nhiệm vụ tính tốn cụ thể về: quy trình cơng nghệ, kết cấu, điều kiện vận hành,
giá thành của một thiết bị trong sản xuất hóa chất – thực phẩm. Đây là bước đầu tiên
để sinh viên vận dụng những kiến thức đã học của nhiều môn học vào việc giải quyết
những vấn đề kỹ thuật thực tế một cách tổng quát.
Nhiệm vụ của Đồ án môn học là thiết kế tháp mâm chóp hoạt động liên tục để chưng
cất hỗn hợp benzene – toluene ở áp suất thường. Với năng suất nhập liệu là 2500 kg/h,
nhập liệu có nồng độ benzene là 30% (% khối lượng), nồng độ sản phẩm đỉnh là 98%
và nồng độ sản phẩm đáy là 2% (% khối lượng) ở nhiệt độ thường.
1
CHƯƠNG 1:
1.1.
TỔNG QUAN
Tổng quan về sản phẩm
1.1.1. Benzene
Benzene là một hydrocacbon thơm, trong điều kiện bình thường là một chất
lỏng không màu, dễ cháy, không tan trong nước, nhẹ hơn nước, hòa tan nhiều chất
như: dầu ăn, nến, cao su, iot... Benzene kém tan trong nước và rượu. Benzene là thành
phần tự nhiên của dầu thô và là một trong những hóa chất dầu cơ bản.
Benzene có mùi thơm dễ chịu nhưng mùi này có hại cho sức khoẻ (gây bệnh bạch
cầu). Ngồi ra, khi hít benzene vào, có thể gây vô sinh, bệnh ung thư máu và khi
benzene rơi vào da sẽ gây bỏng rát.
Công thức phân tử: C6H6
Công thức cấu tạo:
Hình 1.1 Benzene
1.1.1.1.
Tính chất vật lý
Khối lượng mol: 78,112 g/mol
Khối lượng riêng: 0,8786 g/cm3
Điểm nóng chảy: 5,5oC (278,6 K)
Điểm sơi: 80,1oC (353,2 K)
Độ hịa tan trong nước: 1,79 g/L (25oC)
1.1.1.2.
Điều chế
Benzene thường tách được bằng cách chưng cất dầu mỏ và nhựa than đá. Ngồi ra cịn
được điều chế từ ankane, hoặc xicloankane bằng cách loại hydro.
2
CH3(CH2)4CH3 → C6H6 + 4H2 (xúc tác, nhiệt độ)
2CH4 → C2H2 + 3H2 (1500°C, làm lạnh nhanh)
3C2H2 → C6H6 (600°C, xúc tác Carbon hoạt tính)
1.1.1.3.
Ứng dụng
Benzene là nguyên liệu quan trọng nhất của cơng nghiệp hóa hữu cơ.
Benzene được dùng nhiều chất để tổng hợp các monomer trong sản xuất polymer làm
chất dẻo, cao su, tơ sợi (chẳng hạn poly styrene, cao su buna – styrene, tơ capron).
Benzene được sử dụng làm dung mơi trong cơng nghiệp và trong phịng thí nghiệm.
1.1.2. Toluene
Toluene là một chất lỏng trong suốt, mùi thơm nhẹ và khơng vị, có khả năng bay hơi
lớn và dễ cháy, dễ bắt lửa. Toluene không tan trong cồn, ether, acetone và các dung
môi hữu cơ khác, tan ít trong nước.
Toluene là một hydrocarbon thơm được sử dụng làm dung môi rộng rãi trong công
nghiệp.
Công thức phân tử: C7H8
Cơng thức cấu tạo:
Hình 1.2 Toluene
1.1.2.1.
Tính chất vật lý
Khối lượng phân tử: 92,14 g/mol
Tỷ trọng pha: 0,8669 g/cm³
Độ hòa tan trong nước: 0,053 g/100 mL (20 - 25°C)
Nhiệt độ nóng chảy: -93°C (180 K)/ (-135,4°F)
Nhiệt độ sôi: 110,6°C (383,8 K)/ (231,08°F)
3
Nhiệt độ tới hạn: 320°C (593 K)/ (608°F)
Độ nhớt: 0,590 cP ở 20°C
1.1.2.2.
Điều chế
Có nhiều cách điều chế toluene như dùng CaCl 2, CaH2, CaSO4, P2O5 hay natri để tách
nước hoặc cho benzene tinh khiết tác dụng với CH 3Cl (cách này khơng hiệu quả vì
benzene cũng là một dung môi khá tốn kém).
Hiện nay, người ta dùng phương pháp chưng cất dầu mỏ hoặc than đá để tạo ra dung
môi toluene trong sản xuất công nghiệp, vừa tận dụng được nguồn tài nguyên thiên
nhiên, vừa sản xuất với số lượng lớn giảm thiểu chi phí sản xuất.
C6H6 + Cl2 → C6H5Cl + HCl
C6H5Cl + CH3Cl + 2Na → C7H8 + 2NaCl
C6H6 + CH3Cl → C7H8 + HCl
1.1.2.3.
Ứng dụng
Toluene như là một dung môi hàng đầu của các ngành công nghiệp, chủ yếu được
dùng làm dung mơi hịa tan nhiều loại vật liệu như sơn, chất pha loãng, các loại nhựa
tạo màng cho sơn, mực in, chất hóa học, cao su, mực in, chất kết dính, ...
Toluene được dùng để sản xuất nhựa tổng hợp, sản xuất keo dán và các sản phẩm cùng
loại, dùng trong keo dán cao su, xi măng cao su, …
Toluene được dùng làm chất cải thiện một vài chỉ số của xăng dầu và làm chất mang
phụ gia cho nhiên liệu.
Toluene cũng được ứng dụng vào sản xuất mỹ phẩm đặc biệt là nước hoa.
Ngoài ra, toluene còn được ứng dụng như chất tẩy rửa, dùng để sản xuất thuốc nhuộm.
Trong ngành hóa sinh, người ta dùng toluene để tách hemoglobin từ tế bào hồng cầu.
Toluene cịn nổi tiếng vì có thể điều chế thuốc nổ TNT:
C7H8 + 3HNO3 → C7H5(NO2)3 + 3H2O (xúc tác H2SO4 đặc)
4
1.1.3. Hỗn hợp Benzene – Toluene
Bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi (t) của hỗn hợp benzene – toluene ở
760mmHg:
Bảng 1.1 Thành phần cân bằng lỏng - hơi của hệ benzene - toluene
x
0
5
10
20
y
0
11.8
21.4
38
t
110.6
108.
106.
102.
3
1
2
30
40
50
51.1 61.9 71.2
60
70
80
79
85.4
91
90
100
95.9 100
98.6 52.2 92.1 98.4 86.8 84.4 82.3 80.2
Cân bằng lỏng - hơi
100
90
y (phần trăm toluene)
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
x (phần trăm benzene)
Hình 1.3 Đồ thị cân bằng lỏng - hơi hai cấu tử benzene - toluene (x - y)
5
Cân bằng lỏng - hơi
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
80
85
90
95
100
105
110
115
Hình 1.4 Đồ thị cân bằng lỏng – hơi hai cấu tử benzene – toluene (x – y – t)
1.2.
Phương pháp và thiết bị chưng cất
1.2.1. Phương pháp chưng cất
1.2.1.1.
Khái niệm
Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng (hoặc khí lỏng)
thành các cấu tử riêng biệt dựa vào sự khác nhau về độ bay hơi của chúng bằng cách
lặp đi lặp lại nhiều lần quá trình bay hơi – ngưng tụ. Trong đó vật chất đi từ pha lỏng
vào pha hơi hoặc ngược lại.
Khác với cô đặc, chưng cất là q trình trong đó cả dung mơi và chất tan đều bay hơi,
cịn q trình cơ đặc thì chỉ có dung mơi bay hơi.
Khi chưng cất, ta thu được nhiều cấu tử và thường có bao nhiêu cấu tử sẽ thu được bấy
nhiêu sản phẩm. Nếu xét hệ đơn giản chỉ có hai hệ cấu tử thì ta thu được hai sản phẩm:
Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt độ sơi nhỏ) và một phần
rất ít cấu tử có độ bay hơi bé.
Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi bé (nhiệt độ sôi lớn) và một phần rất
ít cấu tử có độ bay hơi lớn.
6
Đối với hệ benzene – toluene, sản phẩm đỉnh chủ yếu là benzene và một ít toluene,
ngược lại sản phẩm đáy chủ yếu là toluene và một ít benzene.
1.2.1.2.
Phân loại
a/ Phân loại theo áp suất làm việc: gồm chưng cất ở áp suất thấp, áp suất thường và áp
suất cao. Nguyên tắc của phương pháp này là 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.
Chưng cất ở áp suất thấp: dùng cho các hỗn hợp dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao như
tinh dầu, các vitamin, … hoặc có nhiệt độ sơi q cao: cặn mazut của dầu mỏ, …
Chưng cất ở áp suất thường: thường được sử dụng vì đơn giản, như chưng cất rượu,
axit, dầu mỏ, …
Chưng cất ở áp suất cao: được tiến hành khi hỗn hợp khơng hóa lỏng ở nhiệt độ
thường, như sản xuất O2 và N2 từ không khí, …
b/ Phân loại theo nguyên lý làm việc: liên tục, gián đoạn (chưng đơn giản) và liên tục:
Chưng cất đơn giản (gián đoạn): phương pháp này được sử dụng trong các trường hợp
sau: khi nhiệt độ sôi của các cấu tử khác xa nhau, khơng địi 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.
Chưng cất hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục): là quá trình được thực
hiện liên tục, nghịch dòng, nhiều đoạn.
c/ Phân loại theo phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp:
Sử dụng hơi nước để cấp nhiệt trực tiếp cho đáy tháp: khi chưng cất hỗn hợp nhập liệu
thu được nước ở đáy tháp chưng cất, cấu tử cịn lại dễ bay hơi thì ta có thể sử dụng hơi
nước để cấp nhiệt trực tiếp cho đáy tháp.
Sử dụng nồi đun để cấp nhiệt cho tháp chưng cất: nồi đun cho tháp chưng cất là thiết
bị trao đổi nhiệt được đặt ở đáy tháp để cung cấp nhiệt cho hệ thống.
7
Vậy: đối với hệ benzene – toluene, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục ở áp suất
thường.
1.2.2. Thiết bị chưng cất
Trong sản xuất thường sử dụng rất nhiều loại tháp nhưng chúng đều có một yêu cầu cơ
bản chung là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều này phụ thuộc vào độ phân
tán của một lưu chất này vào lưu chất kia.
Tháp chưng cất rất phong phú về kích cỡ và ứng dụng. Kích thước của tháp: đường
kính tháp và chiều cao tháp tuỳ thuộc suất lượng pha lỏng, pha khí của tháp và độ tinh
khiết của sản phẩm. Ở đây ta khảo sát 2 loại tháp chưng cất 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 để chia thân tháp thành những đoạn bằng nhau, trên mâm pha lỏng và pha hơi
được cho tiếp xúc với nhau. Tùy theo cấu tạo của đĩa, ta có:
Tháp mâm chóp: trên mâm bố trí có dạng: trịn, xupap, chữ s…
Tháp mâm xun lỗ: trên mâm bố trí các lỗ có đường kính (3 - 12) mm
Tháp chêm (hay tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều đoạn nối với nhau bằng mặt bích
hay hàn. Vật chêm được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên
hay xếp thứ tự.
Bảng 1.2 So sánh ưu nhược điểm của các loại thiết bị chưng cất
Tháp chêm
Ưu điểm
Cấu tạo đơn giản.
Trở lực thấp.
Làm việc được với
Tháp mâm xuyên lỗ
Tháp mâm chóp
Hiệu suất tương đối Hiệu suất truyền khối
cao.
cao.
Trở lực thấp.
Hoạt động ổn định, ít
chất lỏng bẩn (dùng Hoạt động khá ổn định.
đệm cầu có chất lỏng).
tiêu hao năng lượng
hơn nên có số mâm ít
hơn.
Dễ dàng theo dõi và
kiểm sốt q trình
8
chưng cất.
Hiệu suất truyền khối Không làm việc được Cấu tạo phức tạp, tiêu
thấp do có hiệu ứng với chất lỏng bẩn.
thành.
Độ ổn định kém do sự
Nhược điểm
phân bố các pha theo
tiết diện tháp không
đều.
Trở lực khá cao.
tốn nhiều vật tư.
Trở lực lớn.
Yêu cầu lắp đặt khắt Không làm việc với
khe
phẳng.
Lắp đĩa thật chất lỏng bẩn.
Yêu cầu lắp đặt khắt
khe
Khó vận hành.
Lắp đĩa thật
phẳng.
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 sốt q trình chưng cất.
9
