Đồ án quá trình thiết bị

Lời mởi 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.
Nhận thấy rõ sự phát triển như vũ bão của ngành công nghệ hóa học, với
lối tư duy nhạy bén và sáng tạo, khoa Công nghệ Hóa Trường Đại Học Công
Nghiệp Hà Nội đã đào tạo ra những sinh viên chuyên ngành Hóa. Điều đó không
chỉ cung cấp cho đất nước đội ngũ những công nhân lành nghề, thợ kỹ thuật có
tay nghề cao mà nó còn mở cơ hội việc làm cho giới trẻ trong lĩnh vực khá mới
mẻ này.
Là một sinh viên khoa Công Nghệ Hóa, chúng em được trang bị rất nhiều
kiến thức cơ bản về các quá trình thiết bị của công nghệ sản xuất những sản
phẩm hóa học. Nhận được bản đồ án này là một cơ hội tốt để chúng em được
tìm hiểu về các quá trình công nghệ, được vận dụng những kiến thức đã được
học và mở rộng vốn kiến thức của mình, từ đó giúp chúng em có cái nhìn cụ thể
hơn về nghành nghề mình đã lựa chọn.
Công nghệ hóa học là một ngành giữ vị trí, vai trò quan trọng trong việc
sản xuất phục vụ cho nhiều lĩnh vực, cho mọi nghành kinh tế quốc dân, tạo tiền
đề cho nhiều ngành phát triển theo. Với nhiều phương pháp sản xuất khác nhau
như lắng, lọc, đun nóng, làm nguội, chưng luyện, hấp thụ, hấp phụ, trích ly, sấy
khô, đông lạnh…đã tạo ra rất nhiều sản phẩm đa dạng, phong phú đáp ứng nhu
cầu ngày càng lớn của con người. Đặc biệt được ứng dụng nhiều nhất là chưng
luyện, nó được ứng dụng trong nhiều ngành, lĩnh vực, đặc biệt là công nghệ lên
men, công nghệ tổng hợp hữu cơ, lọc - hóa dầu, công nghệ sinh học...
Chưng là phương pháp dùng để tách hỗn hợp khí lỏng thành các cấu tử riêng
biệt dựa vào nhiệt độ sôi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp. Khi chưng thu
được nhiều sản phẩm và thường có bao nhiêu cấu tử thì có bấy nhiêu sản


phẩm.Riêng đối với phương pháp chưng luyện hai cấu tử thì sản phẩm đỉnh gồm

chủ yếu là cấu tử dễ bay hơi còn sản phẩm đáy là cấu tử khó bay hơi.
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 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.vì Chưng luyện là phương pháp thông
dụng dùng để tách hoàn toàn hỗn hợp các cấu tử dễ bay hơi có tính chất hòa tan
một phần hoặc hòa tan hoàn toàn vào nhau.
Vì vậy em xin đi sâu vào nghiên cứu về quá trình công nghệ và vận hành quy
trình công nghệ của quá trình chưng luyện tháp chóp để phân tách hai hỗn hợp
benzen và toluen


Chương 1 tổng quan
1,Tổng quan về Phuong pháp trung cất
Khái niệm: Chưng là phương pháp dùng để tách hỗn hợp khí lỏng thành các cấu
tử riêng biệt dựa vào nhiệt độ sôi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp. Khi
chưng thu được nhiều sản phẩm và thường có bao nhiêu cấu tử thì có bấy nhiêu
sản phẩm
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.
a) Điều kiện để tiến hành
• Điều kiện để tiến hành chưng luyện là nồng độ của hơi phải lớn hơn nồng độ của
lỏng ở trạng thái cân bằng nhiệt động (nghĩa là trong pha hơi
∆

∆

y=y*-y hoặc trong pha lỏng x=x*-x)
Khả năng bay hơi của từng cấu tử trong hỗn hợp được biểu diễn qua độ bay hơi
tương đối α là đại lượng tỷ lệ với động lực của quá trình. Vì vậy, đường cân
bằng càng cong (càng xa đường chéo) thì động lực quá trình càng lớn và độ bay
hơi α càng lớn nên khả năng tách cấu tử càng tốt. Trong trường hợp α=1 quá
trình tách không thực hiện được vì các cấu tử trong hỗn hợp có cùng nhiệt độ sôi
và áp suất bão hòa nên động lực bằng 0
• Để thực hiện khả năng bay hơi của các cấu tử trong hỗn hợp người ta dùng α là
độ bay hơi tương đối :
α=

PbhA
PbhB

≥1


α càng lớn thì khả năng tách A ra khỏi B càng dễ. Khi α=1, theo phương pháp
trưng bình thường không thể tách A và B. Trong trường hợp này, cấu tử A và B
có cùng 1 áp suất, ở cùng 1 nhiệt độ. Hỗn hợp 2 cấu tử, ví dụ benzen-toluen,
etanol-butanol, thì cấu tử đứng trước luôn có nhiệt độ sôi bé hơn và thành phần
của nước được dùng để biểu thị tính toán, thành phần của cấu tử kia (cấu tử khí
bay hơi) được biểu thị qua (1-x) hoặc (1-y)
• 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.

b) 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 vào pha lỏng có các loại tháp mâm, nếu pha
lỏng phân tán vào pha khí ta có tháp đệm, tháp phun, ...Ở đây ta khảo
sát 2 loại thường dùng là tháp đĩa và tháp đệm:


• Tháp đĩa: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các
đĩa có cấu tạo khác nhau, trên đó pha lỏng và pha hơi được cho
tiếp xúc với nhau. Tùy theo cấu tạo của đĩa, ta có:
o Tháp đĩa chóp: trên đĩa bố trí có chóp dạng tròn, xupap, …
o Tháp đĩa lỗ: trê đĩa có nhiều rãnh và lỗ.
• Tháp đệm: tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối với nhau bằng mặt
bích hay hàn. Vật chêm được cho vào thapstheo một trong hai
phương pháp sau: xếp ngẫu nhiên và xếp thứ tự.

2,So sánh ưu nhược điểm của các loại tháp
Tháp đệm

Thấp đĩa lỗ

Tháp chóp


Ưu điểm

- Cấu tạo đơn giản.

- Trở lực

- Khá ổn định.

- Trở lực thấp.

tương đối

- Hiệu suất cao.

- Làm việc với chất thấp.
lỏng bẩn nếu dùng -

Hiệu

Bề mặt tiếp xúc
suất pha lớn

đệm cầu có ρ ~ ρ của khá cao.

Giới hạn làm việc

chất lỏng

rộng

Giới hạn làm việc
Nhược điểm

rộng
- Do có hiệu ứng

- Không làm

- Có trở lực lớn.

thành

việc được với

- Tiêu tốn nhiều

Hiệu suất truyền khối chất lỏng bẩn. vật tư, kết cấu
thấp.

- Kết cấu khá phức tạp.

- Độ ổn định không

phức tạp.

cao, khó vận hành.

Khó vận hành

- Do có hiệu ứng
thành nên khi tăng
năng suất thì hiệu
ứng thành tăng làm

cho năng suất khó
tăng.
- Thiết bị khá nặng
nề.

Sơ đồ dây truyền sản xuất


6
3
7

5
11

4
9

2

1

10

8

Trong đó:
1- Thùng chứa hỗn hợp đầu

6- Thiết bị ngưng tụ hồi lưu

2- Bơm

7- Thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh

3- Thùng cao vị

8- Thùng chứa sản phẩm đỉnh

4- Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu

9- Thiết bị gia nhiệt đáy tháp

5- Tháp chưng luyện

10 - Thùng chứa sản phẩm đá

11- Lưu lượng kế

Nguyên lý hoạt động của dây truyền sản xuất


Dung dịch đầu ở thùng (1) được bơm (2) bơm liên tục lên thùng cao vị (3),
mức chất lỏng cao nhất ở thùng cao vị được khống chế nhờ ống chảy tràn, từ
thùng cao vị dung dịch được đưa vào thiết bị đun nóng (4) qua lưu lượng kế
(11), ở đây dung dịch được đun nóng đến nhiệt độ sôi bằng hơi nước bão hoà,
từ thiết bị gia nhiệt (4) dung dịch được đưa vào tháp chưng luyện (5) nhờ đĩa
tiếp liệu, trong tháp hơi đi từ dưới lên gặp chất lỏng đi từ trên xuống, nhiệt độ
và nồng độ các cấu tử thay đổi theo chiều cao của tháp. Vì vậy hơi từ đĩa phía
dưới lên đĩa phía trên, các cấu tử có nhiệt độ sôi cao (C 7H8) sẽ được ngưng tụ

lại và cuối cùng trên đỉnh ta thu được hỗn hợp gồm hầu hết các cấu tử dễ bay
hơi ( C6H6). Hơi đó đi vào thiết bị ngưng tụ hồi lưu (6), ở đây nó được ngưng tụ
lại.
Một phần chất lỏng đi qua thiết bị làm lạnh (7) để làm lạnh đến nhiệt độ
cần thiết rồi đi vào thùng chứa sản phẩm đỉnh (8), một phần khác hồi lưu về
tháp ở đĩa trên cùng.
Chất lỏng đi từ trên xuống gặp hơi có nhiệt độ cao hơn, một phần cấu tử có
nhiệt độ sôi thấp được bốc hơi và do đó nồng độ cấu tử khó bay hơi trong chất
lỏng ngày càng tăng và cuối cùng ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng gồm hầu
hết là cấu tử khó bay hơi. Chất lỏng đi ra khỏi tháp được làm lạnh rồi đi vào
thùng chứa sản phẩm đáy (10). Như vậy với thiết bị làm việc liên tục thì hỗn
hợp đầu được đưa vào liên tục và sản phẩm cũng được tháo ra liên tục.

Tổng quan về hỗn hợp tách:

I,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
Tính chất vật lý:
-Khối lượng phân tử là 78.11
-Tỷ trọng (20oC) là 0,879
-Nhiệt độ sôi là 80oC
-Nhiệt độ nóng chảy là 5,5 oC.

-Benzen là 1 hợp chất mạch vòng, ở dạng lỏng, không màu, có mùi thơm
•

nhẹ, công thức phân 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 và
rượu. Benzen rất độc.
• Tính chất hóa học
-Phản ứng thế
Với Brom:

Với dung dịch HNO3:

-Phản ứng cộng
Với H2:
Với Cl2:
Phản ứng oxi hóa
Cháy trong không khí sinh nhiều muội than:


Benzen không tác dụng với KMnO4.
a) Điều chế
• Chưng cất nhựa than đá trong công nghiệp
• Phương pháp dehidro hóa
Dehidro hóa xicloankan
Pd , 300 do C

→

≥

−3 H 2

CnH2n
CnH2n-6 (n 6)
Dehidro hóa n-ankan đồng thời khép vòng, nhờ xúc tác và nhiệt độ thích hợp
−4 H 2

→

≥

Pd , 300 doC

CnH2n+2
CnH2n-6 (n 6)
Phương pháp tổng hợp (ký hiệu gốc hidrocacbon thơm là Ar-)
Tổng hợp Wurtz-Fittig
Ar-X+2Na+X-R→Ar-R+2NaX
Thí dụ : C6H5Br+2Na+Br-NH3→C6H5CH3+2NaBr
Tổng hợp Fridel-Craft
AlCl 3

→

Ar-H+X-R

nhietdo

Ar-R+HX

dd

+ KOH

thuoctim

CaO , nhietdo

→

→

3C2H2

C6H5COOK

C6H6

b) Ứng dụng

Benzen là một trong những nguyên liệu quan trọng nhất của ngành công nghiệp
hóa hữu cơ. Nó được dung nhiều nhất để tổng hợp các monome trong sản xuất
polime làm chất dẻo, cao su, tơ sợi (chẳng hạn polistiren, tơ capron. Từ benzene
người ta điều chế ra nitrobenzene, aniline, phenol dung để tổng hợp phẩm
nhuộm, dược phẩm, thuốc trừ dịch hại,… Benzen còn được dùng nhiều làm
dung môi.

II,Toluen
•
•

•
•
•

Tính chất vật lý
Khối lượng phân tử là 92.13
Tỷ trọng (20oC) là 0.886
Nhiệt độ sôi là 111oC
Nhiệt độ nóng chảy là -95oC
Toluen là một hợp chất mạch vòng, ở dạng lỏng và có tính thơm, công thức phân
tử tương tự Benzen, có gắn them –CH 3. Không phân cực, do đó tan tốt trong
benzene
Tính chất hóa học


Toluen có tính chất hóa học tương tự Benzen,
ngoài ra Toluen còn làm mất màu dung dịch KMnO4:

Điều chế
• C6H6+Cl2→C6H5Cl+HCl
C6H5Cl+CH3Cl+2Na→C7H8+2NaCl
•


→
AlCl 3

C6H6+CH3Cl
C7H8+HCl
Ứng dụng

Toluen chủ yếu được dùng làm dung môi hòa tan nhiều vật liệu như sơn, các
loại nhựa tạo màng cho sơn, mực in, chất hóa học, cao su, chất kết dính,…
Trong ngành hóa sinh, người ta dùng toluene để tách hemoglobin từ tế bào hồng

cầu, Toluen còn được dùng để điều chế thuốc nổ TNT (trinitrotoluen)
• C7H8+HNO3→C7H5(NO3)2+3H2O
Hỗn hợp benzen-toluen.
Do Toluen có nhiệt độ sôi là 111 oC cao hơn Benzen là 80 oC vì vậy mà khi tham
gia quá trình chưng luyện Bezen có nhiệt độ sôi thấp hơn sẽ bay hơi trước do đó:
Sản phẩm đỉnh chủ yếu là benzen và 1 chút toluene
Gồm các cấu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt độ sôi nhỏ).
• Sản phẩm đáy chủ yếu là toluene và 1 chút benzen
•

Gồm các cấu tử có độ bay hơi nhỏ (nhiệt độ sôi lớn).
=> Hỗn hợp Benzen-Toluen ta chọn phương pháp chưng cất ở áp suất thường
với loại tháp chưng cất là tháp đĩa chóp.


PHẦN 2
+ Giả thiết:
-

Số mol pha hơi đi từ dưới lên là bằng nhau trong tất cả mọi
tiết diện của tháp.

-

Số mol chất lỏng không thay đổi theo chiều cao đoạn chưng
và đoạn luyện.

-

Hỗn hợp đầu đi vào tháp ở nhiệt độ sôi.

-

Chất lỏng ngưng tụ trong thiết bị ngưng tụ có thành phần
bằng thành phần của hơi đi ra ở đỉnh tháp.

-

Cấp nhiệt ở đáy tháp băng hơi đốt gián tiếp.

+ Yêu cầu thiết bị:
-

Thiết bị làm việc ở áp suất thường P = 1 atm

-

Loại tháp: Đĩa chóp tròn

+ Các thông số ban đầu
- Hỗn hợp ban đầu:
+ Benzen: C6H6, ts = 81,1oC
+ Toluen: C6H5CH3, ts = 110oC
- Năng suất thiết bị tính theo hỗn hợp đầu:

4000 kg/h

- Nồng độ hỗn hợp đầu:

aF = 41 % khối lượng

- Nồng độ sản phẩm đỉnh:

aP = 97 % khối lượng

- Nồng độ sản phẩm đáy:

aW = 3,8% khốlượng


.cân bằng vật liệu toàn thiết bị
Hỗn hợp đầu vào F(C6H6 – C6H5CH3) được tách thành sản phẩm đỉnh P(C6H6) và
sản phẩm đáy W(C6H5CH3) ở đĩa trên cùng có một lượng ỏng hồi lưu, ở đáy
tháp có thiết bị đun sôi, lượng hơi đi ra ở đỉnh tháp là D.
Theo phương trình cân bằng vật liệu cho toàn tháp:
F=P+W
Phương trình cân bằng vật liệu cho cấu tử dễ bay hơi:
F.aF = P.aP + W.aW
=> lượng sản phâm đỉnh là:

=> lượng sản phẩm đáy là:
W = F – P = 4000 –1596,57 =2403,43 (kg/h)
* đổi từ phần khối lượng sang phần mol:

Khối lượng trung bình của hỗ hợp đầu vào, sản phẩm đinh, sản phẩm đáy là:
Công thức tính: M = x.MA + ( 1- x).MB

M: khối lượng phân tử trung bình cua hỗn hợp (kg/kmol)
x: nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp


MA, MB: lần lượt là khối lượng phân tử của C6H6 và C6H5CH3
Khối lượng phân tử trunh bình của hỗn hợp vào tháp là:
MF = 0,45.78 + (1-0,45).92 = 85,7(kg/kmol)
Khối lượng phân tử trung bình của sản phẩm đỉnh là:
MP = 0,9744.78 + (1-0,9744).92 = 78,36(kg/kmol)
Khối lượng phân tử trung bình của sản phẩm đáy là:
MW = 0,0445.78 + (1 – 0,0445).92 = 91,38(kg/kmol)
=>Lượng hỗn hợp đầu F’, lượng sản phẩm đỉnh P’, lượng sản phẩm đáy W’ tính
theo phần mol là:

)
Ta có lượng hỗn hợp đầu tính theo 1 đơn vị sản phẩm đỉnh là:

2.1.Tính chỉ số hồi lưu thích hợp.
2.1.1.đường cân bằng lỏng hơi.
Tra bảng IX.2b (146) sổ tay tập II, ta có
x(%
phần

0

5

10

20

0

11.8

21.4

38

110.6

108.3

106.1

102.2

30

40

50

60

70

80

90

100

51.1 61.9 71.2

79

85.4

91

95.9

100

98.6 95.2 92.1

89.4

86.8

84.4

82.3

80.2

mol)
y(% phần

mol)
t(oC)


Với xF =0,45 (phần mol) ta có:

2.1.2.Chỉ số hồi lưu tối thiểu của tháp chưng luyện.

2.1.3.chỉ số hồi lưu thích hợp.
Cho R biến thiên, với mỗi giá trị của R ta xác định được số đĩa lý thuyết tương
ứng.
Rx = β.Rmin , với β là hệ số dư
Vấn đề chọn chỉ số hồi lưu thích hợp là rất quan trọng, vì khi chỉ số hồi lưu bé
thì số bậc của tháp lớn nhưng tiêu tốn hơi đốt ít, ngược lại nếu chỉ số hồi lưu lớn
thì số bậc của tháp ít nhưng tiêu tốn hơi đốt lại rất lớn.
Trong công nghiệp người ta tính gần đúng trong khoảng sau:
Rx = (1,2 ÷2,5).Rmin
Phương trình làm việc đoạn luyện:
y=

f + Rx
1− f
.x +
.x w
Rx + 1
Rx + 1

Phương trình làm việc đoạn luyện:
y=

Rx
xP
.x +
.
Rx + 1
Rx + 1


benzen_ tuloen
y

Xf
đồ thị cân bằng lỏng hoi benzen-toluen

f=2,29
rx=1,62
pt đoạn chưng :y=1,49x-0,022
pt đoạn luyện :y=0,618x+0,372
số đĩa lý thuyết :17 đĩa

xp

x


y

Xf
Đồ thị cân bằng lỏng hơi benzene-toluen

R =1,76
Pt đoạn chưng:y=1,47x-0,021
Pt đoạn luyện: y=0,68x+0,353
Số điawx lý thuyết : 15 đĩa

xp

x


y

Xf
Đồ thị cân bằng lỏng hơi benzen-toluen

R=1,89

Pt đoạn chưng:y=1,45x-0,0199

Pt đoạn luyện : y=0 0,654+0,337

Số đĩa: 14 đĩa

xp

x


y

Xf
Đồ thị cân bằng lỏng hơi benzene-toluen
rx=2,03
pt đoạn chưng :y=1,43x-0,019
pt đoạn luyện :y=0,67x+0,32
số đĩa lý thuyết :13 đĩa

xp

x


y

Xf

rx=2,16
pt đoạn chưng :y=1,408x-0,0182
pt đoạn luyện :y=0,684x+0,308
số đĩa lý thuyết :12 đĩa

xp

x


y

Xf

rx=2,3
pt đoạn chưng :y=1,396x-0,0174
pt đoạn luyện :y=0,697x+0,295
số đĩa lý thuyết :12 đĩa

xp

x


y

Xf

rx=2,43
pt đoạn chưng :y=1,376x-0,0167
pt đoạn luyện :y=0,72x+0,0161
số đĩa lý thuyết :12 đĩa

xp

x


y

Xf

rx=2,57
pt đoạn chưng :y=1,361x-0,0161

pt đoạn luyện :y=0,72x+0,273
số đĩa lý thuyết :12 đĩa

xp

x


y

Xf
rx=2,7
pt đoạn chưng :y=1,35x-0,0155
pt đoạn luyện :y=0,73x+0,263
số đĩa lý thuyết :12 đĩa

xp

x


y

Xf

rx=2,84
pt đoạn chưng :y=1,34x-0,0149
pt đoạn luyện :y=0,7x+0,254
số đĩa lý thuyết :12 đĩa

xp

x