THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG CẤT HỆ BENZEN – TOLUEN BẰNG THÁP MÂM XUYÊN LỖ NHẬP LIỆU Ở TRẠNG THÁI LỎNG SÔI (Autocad + thuyết minh chi tiết)

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 KỸ THUẬT HĨA HỌC

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ MÁY THIẾT BỊ
ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG CẤT
HỆ BENZEN – TOLUEN BẰNG THÁP MÂM XUYÊN LỖ
NHẬP LIỆU Ở TRẠNG THÁI LỎNG SÔI

GVHD: ThS. Trần Tấn Đạt
SVTH:

MSSV

1. Nguyễn Hồng Vũ Phúc

18128048

2. Bùi Quỳnh Như

18128047

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày tháng 08 năm 2021


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM
KHOA CÔNG 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: ThS Trần Tấn Đạt
Họ và tên sinh viên thực hiện:

MSSV

1. Nguyễn Hoàng Vũ Phúc

18128048

2. Bùi Quỳnh Như

18128047

1. Tên đề tài: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG CẤT HỆ BENZENE-TOLUEN
BẰNG THÁP MÂM XUYÊN LỖ NHẬP LIỆU Ở TRẠNG THÁI LỎNG SÔI.
2. Số liệu ban đầu:
- Năng suất nhập liệu: 15000 kg/h
- Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong nhập liệu: 25% mol benzen
- Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đỉnh: 85% mol benzen
- Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy: 5% mol benzen
3. Nội dung thực hiện:
- Mở đầu
- Chọn và thuyết minh quy trình cơng nghệ
- Tính cân bằng vật chất và năng lượng
- Tính tốn cơng nghệ thiết bị chính
- Tính tốn kết cấu thiết bị chính
- Tính và chọn thiết bị phụ

- Kết luận
- Tài liệu tham khảo
- Phụ lục (nếu có)
4. Bản vẽ: 1- Sơ đồ quy trình cơng nghệ (khổ giấy A1)
1.2 bản vẽ thiết bị chính (khổ giấy A1)
5. Ngày giao nhiệm vụ: 01/03/2021


6. Ngày nộp đồ án:16/08/2021
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN

TP.HCM, ngày 14 tháng 08 năm 2021
Người hướng dẫn

Th.S Trần

Tấn Đạt


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: ThS Trần Tấn Đạt
2. Sinh viên: Bùi Quỳnh Như

3. MSSV: 18128047

4. Tên đề tài: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG CẤT HỆ BENZEN – TOLUEN BẰNG
THÁP MÂM XUYÊN LỖ NHẬP LIỆU Ở TRẠNG THÁI LỎNG SÔI
5. Kết quả đánh giá
STT

Nội dung

Thang

Điểm

điểm

số

1

Xác định được đối tượng và yêu cầu thiết kế

0 – 1,0

1

2

Lập qui trình cơng nghệ và tính tốn được các chi tiết thiết bị

0 – 2,5

2,0

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

0,5

5

Lập được bản vẽ với phần mềm chuyên dụng

0 – 2,5

2,5

6

Hoàn thành thuyết minh thiết kế đầy đủ, chính xác và logic

0 – 1,0

1,0

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

0,5

10

8,75

TỔNG ĐIỂM (Bằng chữ: Tám phẩy bảy răm)

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 14 tháng 08 năm 2021
Người nhận xét
(Ký & ghi rõ họ tên)

Người
xét)

nhận


Th.S Trần Tấn Đạt


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: ThS. Trần Tấn Đạt
2. Sinh viên: Nguyễn Hoảng Vũ Phúc

3. MSSV: 18128048

4. Tên đề tài: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG CẤT HỆ BENZEN – TOLUEN BẰNG
THÁP MÂM XUYÊN LỖ NHẬP LIỆU Ở TRẠNG THÁI LỎNG SÔI
5. Kết quả đánh giá
STT

Nội dung

Thang

Điểm

điểm

số

1

Xác định được đối tượng và yêu cầu thiết kế

0 – 1,0

1

2

Lập qui trình cơng nghệ và tính tốn được các chi tiết thiết bị

0 – 2,5

2,0

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

0,5

5

Lập được bản vẽ với phần mềm chuyên dụng

0 – 2,5

2,5

6

Hoàn thành thuyết minh thiết kế đầy đủ, chính xác và logic

0 – 1,0

1,0

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

0,5

10

8,75

TỔNG ĐIỂM (Bằng chữ: Tám phẩy bảy răm)

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 14 tháng 08 năm 2021
Người nhận xét
(Ký & ghi rõ họ tên)

Người
xét)

nhận

Th.S Trần Tấn Đạt

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: TS. Trần Thị Nhung
2. Sinh viên: Bùi Quỳnh Như

3. MSSV: 18128047

4. Tên đề tài: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG CẤT HỆ BENZEN – TOLUEN BẰNG
THAP MAM XUYEN LỖ NHẬP LIỆU Ở TRẠNG THAI LỎNG SOI
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 HƯỚNG DẪN cho điểm lẻ tới 0,25 điểm

6. Các nhận xét khác (nếu có)
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
Ngày …… tháng 08 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: TS. Trần Thị Nhung
2. Sinh viên: Nguyễn Hoàng Vũ Phúc

3. MSSV: 18128048

4. Tên đề tài: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG CẤT HỆ BENZEN – TOLUEN BẰNG
THÁP MÂM XUYÊN LỖ NHẬP LIỆU Ở TRẠNG THÁI LỎNG SÔI
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 HƯỚNG DẪN cho điểm lẻ tới 0,25 điểm

6. Các nhận xét khác (nếu có)
.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
Ngày …… tháng 08 năm 2021
Người phản biện
(Ký & ghi rõ họ tên)

LỜI CẢM ƠN

1


Chúng em xin chân thành cám ơn Ban Giám Hiệu và các thầy cô đã tạo điều kiện cho
sinh viên được mở rộng vốn kiến thức vốn còn hạn hẹp của mình. Đặc biệt chúng em xin
chân thành cám ơn thầy Trần Tấn Đạt đã dành nhiều thời gian để hướng dẫn và giúp đỡ
chúng em trong quá trình thực hiện đồ án.
Khả năng tiếp thu và kinh nghiệm bản thân chúng em có hạn nên bài báo cáo này khơng
tránh khỏi thiếu sót. Chúng em rất mong muốn nhận được sự nhận xét, chỉ bảo chân
thành từ các thầy cô nhằm giúp cho bài báo cáo này trở nên hồn thiện hơn, bên cạnh đó
giúp cho kiến thức của nhóm được củng cố hơn, tạo điều kiện tốt cho công tác của chúng
tôi sau này.
Chúng em xin chân thành cám ơn!

2


MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU...........................................................................................................1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN....................................................................................2
1.1 Giới thiệu sản phầm...................................................................................................2

1.1.1 Benzen................................................................................................................. 2
1.1.2 Toluen .................................................................................................................3
1.1.3 Ứng dụng ...........................................................................................................4
1.1.4 Sản xuất benzene và toluen.................................................................................5
1.2 Chọn phương pháp chưng cất và loại tháp chưng cất................................................8
1.2.1 Khái niệm chưng cất ..........................................................................................8
1.2.2 Chọn phương pháp chưng cất..............................................................................8
1.2.3 Thiết bị chưng cất ...............................................................................................9

CHƯƠNG 2: THUYẾT MINH QUY TRÌNH.....................................................11
2.1 Sơ đồ quy trình cơng nghệ.......................................................................................11
2.2 Thuyết minh quy trình cơng nghệ............................................................................12

CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG............................13
3.1 Thông số đầu vào.....................................................................................................13
3.2 Cân bằng vật chất....................................................................................................14
3.2.1 Xác định suất lượng nhập liệu và sản phẩm đáy................................................14
3.2.2 Xác định chỉ số hồn lưu thích hợp...................................................................15
3.2.3 Phương trình đường làm việc............................................................................16
3


3.2.4 Xác định số mâm lý thuyết và số mâm thực tế..................................................17
3.3 Cân bằng năng lượng...............................................................................................23
3.3.1 Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng cất..........................................................23
3.3.2 Cân bằng năng lượng các thiết bị truyền nhiệt..................................................29

CHƯƠNG 4 : TÍNH TỐN THIẾT BỊ CHÍNH.................................................39
4.1 Đường kính tháp chưng cất......................................................................................39
4.1.1 Đường kính đoạn cất.........................................................................................39

4.1.2 Đường kính đoạn chưng....................................................................................42
4.2 Chiều cao tháp.........................................................................................................46
4.2.1 Chiều cao thân tháp...........................................................................................46
4.2.2 Chiều cao đáy (nắp)...........................................................................................46
4.3 Trở lực tháp.............................................................................................................46
4.3.1 Cấu tạo mâm xuyên lỗ.......................................................................................46
4.3.2 Trở lực của đĩa khô............................................................................................47
4.3.3 Trở lực do sức căng bề mặt...............................................................................48
4.3.4 Trở lực thủy tĩnh do chất lỏng trên đĩa tạo ra.....................................................49
4.3.5 Tổng trở lực thủy lực của tháp...........................................................................52
4.3.6 Kiểm tra hoạt động của mâm.............................................................................52
4.3.7 Kiểm tra tính đồng nhất của hoạt động mâm.....................................................52
4.3.8 Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động................................................................53
4.3.9 Kiểm tra tính rị rỉ qua lỗ mâm..........................................................................54
4


4.4 Tính tốn cơ khí của tháp........................................................................................56
4.4.1 Bề dày thân tháp................................................................................................56
4.4.2 Bề dày đáy và nắp thiết bị.................................................................................57
4.4.3 Bề dày mâm......................................................................................................59
4.4.4 Bích ghép thân, đáy và nắp...............................................................................61
4.4.5 Đường kính các ống dẫn – Bích ghép các ống dẫn............................................63
4.4.6 Chân đỡ.............................................................................................................67
4.4.7 Tính bảo ơn thiết bị...........................................................................................70
4.4.8 Kính quan sát....................................................................................................71

CHƯƠNG 5 : TÍNH TỐN CÁC THIẾT BỊ PHỤ.............................................72
5.1 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh.............................................................................72
5.1.1 Xác định hệ số truyền nhiệt...............................................................................72

5.1.2 Xác định bề mặt truyền nhiệt và cấu tạo thiết bị................................................77
5.2 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh............................................................................77
5.2.1 Xác định hệ số truyền nhiệt...............................................................................79
5.2.2 Xác định bề mặt truyền nhiệt.............................................................................83
5.3 Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy...............................................................................83
5.3.1 Xác định hệ số truyền nhiệt:..............................................................................84
5.3.2 Xác định bề mặt truyền nhiệt:...........................................................................87
5.4 Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy.............................................................................88
5.4.1 Xác định hệ số truyền nhiệt...............................................................................88
5


5.4.2 Xác định bề mặt truyền nhiệt.............................................................................93
5.5 Thiết bị gia nhiệt nhập liệu......................................................................................93
5.5.1 Xác định hệ số truyển nhiệt...............................................................................94
5.5.2 Xác định bề mặt truyền nhiệt:...........................................................................97
5.6 Bồn cao vị................................................................................................................98
5.6.1 Tổn thất đường ống dẫn.....................................................................................98
5.6.2 Tổn thất đường ống dẫn trong thiết bị trao đổi nhiệt.......................................100
5.6.3 Tổn thất đường ống dẫn trong thiết bị đun sơi dịng nhập liệu........................101
5.6.4 Chiều cao bồn cao vị.......................................................................................103
5.7 Bơm.......................................................................................................................104
5.7.1 Năng suất.........................................................................................................104
5.7.2 Cột áp..............................................................................................................104
5.7.3 Tính tổng trở lực trong ống.............................................................................105
5.7.4 Công suất.........................................................................................................107

KẾT LUẬN...........................................................................................................109
TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................110

6


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Tính chất vật lý của benzen.............................................................................3
Bảng 1.2: Tính chất vật lý của toluen...............................................................................4
Bảng 1.3: Thành phần tỉ lệ cân bằng lỏng hơi của cấu tử trong hệ benzen – toluen.........6
Bảng 1.4: Ưu và nhược điểm của từng loại tháp............................................................10
Bảng 3.1: Kết quả tính cân bằng vật chất.......................................................................22
Bảng 3.2: Kết quả tính tốn cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng cất...........................28
Bảng 3.3: Kết quả tính tốn cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ........................31
Bảng 3.4: Kết quả tính tốn nhiệt lượng của thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh.............33
Bảng 3.5: Kết quả tính tốn cân bằng nhiệt lượng đun sơi dịng nhập liệu.....................36
Bảng 3.6: Kết quả tính tốn nhiệt lượng của thiết bị làm nguội sản phẩm đáy...............38
Bảng 4.1: Tóm tắt một số các đại lượng trong tính tốn thiết bị chính ..........................55
Bảng 4.2: Thơng số kích thước bích ghép thân với đáy và nắp......................................62
Bảng 4.3: Kích thước các bích nối các ống dẫn.............................................................67
Bảng 4.4: Thơng số kích thước chân đỡ.........................................................................69
Bảng 4.5: Thơng số kích thước tai treo..........................................................................70
Bảng 5.1: Tổng hợp các đại lượng ở chương 5.............................................................108

7


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Cấu trúc phân tử benzen...................................................................................2
Hình 1.2: Cấu trúc phân tử của toluen..............................................................................3
Hình 1.3: Giản đồ tỉ lệ lỏng – hơi của hệ Benzen – Toluen theo nhiệt độ........................7
Hình 1.4: Đồ thị cân bằng lỏng hơi của hệ 2 cấu tử Benzen – Toluen..............................7
Hình 2.1: Sơ đồ quy trình cơng nghệ..............................................................................11

Hình 3.1: Đồ thị cân bằng pha của hệ benzen – toluen..................................................15
Hình 3.2: Đồ thị xác định số mâm lý thuyết (hệ benzen – toluen).................................18
Hình 3.3: Sơ đồ thiết bị chưng luyện..............................................................................23
Hình 4.1: Mâm có lỗ bố trí theo hình lục giác đều.........................................................47
Hình 4.2: Chiều dài gờ chảy tràn....................................................................................50
Hình 4.3: Đáy và nắp ellipise có gờ...............................................................................58
Hình 4.4: Hình minh họa bích nối thân..........................................................................62
Hình 4.5: Mặt bích nối các bộ phận thiết bị và ống dẫn.................................................63
Hình 4.6: Hình minh họa chân đỡ tháp chưng cất..........................................................68
Hình 4.7: Hình minh họa tai treo thiết bị chưng cất.......................................................69

8


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Tóm tắt các ký hiệu đã sử dụng
Mục

Cân bằng vật

Ký hiệu

Ý nghĩa

Thứ nguyên

F

Suất lượng mol nhập liệu

kmol/h

D

Suất lượng mol sản phẩm đỉnh

kmol/h

W

Suất lượng mol sản phẩm đáy

kmol/h

GF

Suất lượng khối lượng nhập liệu

kg/h

GD

Suất lượng khối lượng sản phẩm đỉnh

kg/h

GW

Suất lượng khối lượng đáy

kg/h

xF

Phần mol nhập liệu

mol/mol

xD

Phần mol sản phẩm đỉnh

mol/mol

xW

Phần mol sản phẩm đáy

mol/mol

chất

Mtb

Phần khối lượng nhập liệu

kg/kg

Phần khối lượng sản phẩm đỉnh

kg/kg

Phần khối lượng sản phẩm đáy

kg/kg

Khối lượng mol trung bình

R

Tỷ sơ hồn lưu

t

Nhiệt độ

kg/kmol

o

C hoặc K

N.s/m2 hay

μ

Độ nhớt động học

α

Độ bay hơi tương đối

Cân bằng năng

Q

Nhiệt lượng

lượng

G

Lượng chất lỏng

kg/h

D

Lượng hơi đốt

kg/h

r

Ẩn nhiệt hóa hơi

cP

J/h

9

kJ/kmol


hoặc kJ/kg

Tính tốn thiết
bị chính

C

Nhiệt dung riêng

J/kg.độ



Nhiệt lượng riêng

kJ/kg

ρ

Khối lượng riêng

kg/m3

Dt

Đường kính

Ntt

Số mâm thực tế

mâm

Hđĩa

Khoảng cách giữa 2 mâm

mm

Độ dày

mm

hgờ

Chiều cao gờ chảy tràn

mm

Lgờ

Chiều dài gờ chảy tràn

mm

∆hl

Chiều cao lớp chất lỏng trên gờ chảy tràn

mm

∆Pk

Trở lực của đĩa khô

N/m2

∆Pσ

Trở lực do sức căn bề mặt

N/m2

∆Pt

Trở lực thủy tĩnh

N/m2



m

N/mm2

σ

Ứng suất

Tính tốn cơ

h

Hệ số bền mối hàn

khí

Wo

Độ võng cực đại ở tâm

SH

Bè dày tấm lót

Pr

Chuẩn số Prandtl

Ftb

Diện tích bề mặt truyền nhiệt

Tính tốn thiết

K

Hệ số truyền nhiệt

bị phụ

α

Hệ số cấp nhiệt

W/m2.oK

rt

Nhiệt trở

m2.oK/W

Re

Chuẩn số Reynolds

10

mm

m2


11

LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay, cơng nghệ hóa học là một trong những ngành quan trong trong q trình phát
triển cơng nghiệp của đất nước. Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển và cùng với nó là
nhu cầu ngày càng cao về độ tinh khuyết của các sản phẩm. 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, cơ đặc, hấp thu, …Tuỳ theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta
có sự lựa chọn phương pháp cho phù hợp.
Tuỳ theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có sự lựa chọn phương pháp phù hợp. Đối
với hệ benzen – toluen là hai cấu tử tan lẫn vào nhau, ta dùng phương pháp chưng cất để
nâng cao độ tinh khuyết của benzen.
Đồ án môn học Quá trình thiết bị là một mơn học mang tính tổng hợp trong quá trình tổng
hợp trong quá trình học tập của các kĩ sư Cơng nghệ Hố Học trong tương lai. Mơn học
giúp sinh viên giải quyết nhiệm vụ tính tốn cụ thể về: quy trình cơng nghệ, kết cấu, giá
thành của một thiết bị trong sản xuất hoá chất – thực phẩm. Đây là bước đầu tiên để sinh
viên vận dụng những kiến thức đã học của nhiều môn học vào giải quyết những vấn đề kĩ
thuật thực tế một cách tổng quát.
Nhiệm vụ của đồ án là thiết kế hệ thống chưng cất benzen – toluen. Loại tháp mâm xuyên
lỗ có năng suất nhập liệu là 15000 kg/h, nồng độ nhập liệu là 25% mol, nồng độ sản phẩm
đỉnh là 85% mol.

1


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 Giới thiệu sản phầm
1.1.1 Benzen [1]
Benzen là một hợp chất mạch vịng, ở dạng lỏng khơng màu và có mùi thơm nhẹ. Benzen
khơng 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 khơng khí chỉ cần thấp khoảng 1 ppm
cũng có khả năng gây ra bệnh bạch cầu, nên ngày nay benzen được sử dụng hạn chế hơn.
Phân tử benzen gồm 6 nguyên tử H và 6 nguyên tử C nằm trong cùng một mặt phẳng
trong đó 6 nguyên tử C tạo thành hình lục giác đều, mỗi nguyên tử C lại liên kết với một
nguyên tử H nữa. Độ dài các liên kết C-C bằng nhau, độ dài các liên kết C-H cũng như
nhau.

Hình 1.1: Cấu trúc phân tử benzen

2


Bảng 1.1: Tính chất vật lý của benzen
Danh pháp IUPAC

Benzen

Tên khác

Benzol, cyclohexa-1,3,5-trien

Khối lượng mol

78.11 g/mol

Màu sắc

Không màu, trong suốt

Nhiệt độ sơi (oC)

80oC

Nhiệt độ nóng chảy (oC)

5.5oC

Tỷ trọng

0.879 g/cm3 [20oC (68oF)]

Độ tan trong nước

Ít tan trong nước lạnh, tan trong dầu

1.1.2 Toluen [1]
Toluen là một hợp chất mạch vòng, ở dạng lỏng và có tính thơm, cơng thức phân tử tương
tự như benzen có gắn thêm nhóm –CH 3, có cơng thức phân tử là C7H8. Khơng phân cực,
do đó toluen tan tốt trong benzen. Toluen có tính chất dung mơi tương tự benzen nhưng
độc tính thấp hơn nhiều, nên ngày nay thường được sử dụng thay benzen làm dung môi
trong phịng thí nghiệm và trong cơng nghiệp.

Hình 1.2: Cấu trúc phân tử của toluen

3


Bảng 1.2: Tính chất vật lý của toluen
Danh pháp IUPAC

Methylbenzene

Tên khác

Toluene, Phenylmetan, Toluol

Khối lượng mol

92.14 g/mol

Màu sắc

Không màu

Độ tan trong nước

0.053 g/100mL (20-25oC)

Nhiệt độ sơi (oC)

111oC

Nhiệt độ nóng chảy (oC)

-95oC

Tỷ trọng

0.866 g/cm3

1.1.3 Ứng dụng [3]
Benzen nói riêng và các hợp chất hydrocarbon thơm nói chung có nhiều ứng dụng quan
trọng trong cơng nghệ hóa học. Benzen, toluen, xylen,... có khả năng hòa tan nhiều hợp
chất hữu cơ (kể cả nhiều hợp chất dầu mỡ và polymer) nên thường được sử dụng rộng rãi
làm dung môi. Do benzen rất độc đối với cơ thể người nên ngày nay người ta đang tìm
cách thay thế benzen bằng các dung mơi thích hợp khác. Tuy nhiên, cho đến nay benzen
vẫn dang là một trong những dung mơi quan trọng của cơng nghệ hóa học.
Ứng dụng quan trọng nhất của toluen đó là nâng cấp chất lượng xăng nhờ khả năng làm
tăng trị số octan của nó. Trong cơng nghiệp hóa chất, 54% tổng sản lượng toluen của thế
giới được sử dụng để chuyển hóa thành benzen, khoảng 16% được làm dung mơi. Ứng
dụng quan trọng thứ tư, tiêu thụ khoảng 8% tổng sản lượng toluen, là phục vụ cho quá
trình sản xuất tolylen diisoxyanat sử dụng trong màng polyuretan. Các ứng dụng khác của
toluen là sản xuất caprolactam, phenol, phụ gia cho xăng…Ngoài ra phản ứng nitro hóa
các hợp chất hydrocarbon thơm tạo thành những hợp chất trung gian quan trọng. Nhóm
nitro là một trong những nhóm trợ màu quan trọng, các hợp chất hydrocarbon thơm chứa
nhiều nhóm nitro sẽ mang màu và bền với ánh sáng. Ngồi ra, phản ứng nitro hóa toluen
được dùng để tổng hợp thuốc nổ TNT (2,4,6-trinitrotoluen). Nhiều loại thuốc nổ khác
cũng được tổng hợp nhờ vào phản ứng nitro hóa các hợp chất hydrocarbon thơm.
Tương tự như vậy, phản ứng sulfo hóa các hợp chất hydrocarbon thơm được sử dụng để
tổng hợp nhiều hợp chất trung gian quan trọng, ví dụ một số loại phẩm màu dùng trong
4


cơng nghệ nhuộm in chứa nhóm sulfonat. Phản ứng sulfo hóa các alkyl benzen (là sản
phẩm của phản ứng alkyl hóa benzen) có mạch nhánh chứa 10 – 14 nguyên tử carbon
được sử dụng để tổng hợp các chất hoạt động bề mặt quan trọng trong ngành sản xuất các
sản phẩm tẩy rửa cũng như nhiều ngành công nghiệp khác.
Từ benzen, có thể tổng hợp styren nhờ vào phản ứng thế và tách hydrogen. Styren là một
trong những monome quan trọng, được sử dụng rộng rãi cho ngành công nghiệp sản xuất

chất dẻo. Từ xylen có thể điều chế benzen dicarboxylic acid, là nguyên liệu của ngành sản
xuất sợi hóa học polyester. Ngồi ra, benzen cịn là ngun liệu để sản xuất nhiều loại tơ
sợi tổng hợp quan trọng khác.
1.1.4 Sản xuất benzene và toluen
1.1.4.1 Điều chế benzen [1]
 Đi từ nguồn thiên nhiên
Thơng thường các hydrocarbon thơm ít được tổng hợp trong phịng thí nghiệm vì có thể
thu được một lượng lớn các hợp chất này từ quá trình chưng cất dầu mỏ và than đá….

 Đóng vịng và dehydro hóa alkan
Phân đoạn dầu mỏ C6-C8 có thể tham gia phản ứng đóng vịng và dehydro hóa tạo thành
hydrocarbon thơm ở nhiệt độ cao (450550°C) khi có mặt các xúc tác như Cr 2O3 hay các
kim loại chuyển tiếp như palladium hay platinum.

CH3(CH2)4CH3
 Dehydro hóa cycloalkan
Các cycloalkan có thể bị dehydro hóa ở nhiệt độ cao với sự có mặt của các xúc tác kim
loại chuyển tiếp như palladium hay platinum tạo thành benzen hay các dẫn xuất của
benzen.

5


 Đi

từ acetylen

Đun acetylen trong sự có mặt của xúc tác là than hoạt tính hay phức của nickel như
Ni(CO)2[(C6H5)3P]2 sẽ thu được benzen.

3 HCCH
1.1.4.2 Điều chế toluen
C6H6 + Cl2
C6H5Cl + HCl
C6H5Cl + CH3Cl + Na
C6H5-CH3 + 2 NaCl
Điều chế benzen ra toluen là phương pháp đơn giản và ngắn nhất, nhưng địi hỏi phải có
ngun liệu là benzen, do vậy xét về mặt kinh tế thì phương pháp này không áp dụng cho
sản xuất mà chủ yếu sử dụng trong nghiên cứu. Trong cơng nghiệp thì điều chế toluen nên
chọn phương pháp chưng cất nhựa, dầu mỏ và than đá sẽ tiết kiệm và hợp lý hơn.
1.1.4.3 Hỗn hợp benzen – toluen
Ta có bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp benzen – toluen ở
760 mmHg. (% mol) (Bảng IX.2a, trang 146, [2])
Bảng 1.3: Thành phần tỉ lệ cân bằng lỏng hơi của cấu tử trong hệ benzen – toluen
x

0

5

10

20

y

0

11,8

21,4

38

t
(oC)

110,6 108,3 106,1

102,
2

30

40

50

51,1 61,9 71,2

60

70

80

90

100

79

85,4

91

95,9

100

98,6 95,2 92,1 89,4 86,8 84,4 82,3 80,2

Với x: % mol thành phần lỏng
y: % mol thành phần hơi

6