CHƯƠng I giới thiệu về quy trình chưng cất aceton – benzen

Ngày nay khoa học kỹ thuật luôn phát triển không ngừng nhằm đáp ứng tốt nhu cầu sản xuất, tiêu dùng và sinh hoạt của con người. Trong đó cũng phải kể đến sự đóng góp của ngành công nghiệp hóa chất.

Trước đây với những phương pháp cổ điển và thiết bị lạc hậu người ta đã sản xuất ra những hóa chất phục vụ cho nhu cầu sản xuất, tiêu dùng của con người nhưng về chất lưỡng sản phẩm thì không đảm bảo là tốt nhất. Ngày nay, với sự phát triển của khoa học kĩ thuật con người đã chế tạo ra các thiết bị phục vụ cho sản xuất nói chung và quá trình sản xuất trong ngành công nghiệp hóa chấ nói riêng nhằm sản xuất ra các sản phẩm đạt yêu cầu chất lượng phục vụ nhu cầu của con người.

Trong nội dung đồ án này chúng tôi giới thiệu một phương án thiết kế thiết bị sản xuất hóa chất đó là thiết bị chưng cất. Thiết bị này có khả năng tách hỗn hợp hai cấu tử có độ bay hơi khác nhau thành các cấu tử riêng biệt với độ tinh khiết cao.

Nhiệm vụ thiết kế:

Tính toán thiết kế hệ thống thiết bị để tách hỗn hợp Aceton – Benzen với

Năng suất theo nguyên kiệu đầu: 3500kg/h

Nồng độ sản phẩm đỉnh: 98% khối lượng

Nồng độ nhập liệu: 35% khối lượng

Nồng độ sản phẩm đáy: 0.5% khối lượng

Áp suất làm việc: áp suất thường

CHƯƠNG I

GIỚI THIỆU VỀ QUY TRÌNH CHƯNG CẤT

ACETON – BENZEN

I.Tính chất của Aceton – Benzen:

I.1 Aceton:

Tính chất vật lý và hóa học:

Aceton là chất lỏng không màu, dễ bay hơi, dễ cháy, có mùi thơm, Tan vô hạn trong nước, cồn, eter và hầu hết các loại dầu.

CTPT: C₃H₆O

CTCT:CH₃COCH₃

KLPT: 58.08 đvC

Tỷ trọng:d²⁰ = 0.7899

Nhiệt độ sôi: 56.1^oC

Nhiệt độ nóng chảy: -94.8^oC

Chỉ số khúc xạ:

Tác dụng sinh học:

Gây nhức đầu, mệt mỏi, sưng cuốn phổi, lượng lớn gây buồn ngủ.

Aceton được ứng dụng nhiều làm dung môi hữu cơ trong công nghiệp (ví dụ cho vào vecni, sơn mài, cellulose acetate, nhựa, cao su…). Nó hòa tan tốt tơ acetate, nitroxenluloz, nhựa phenol fomandehyt, chất béo, dung môi pha sơn, mực in ống đồng. Aceton là nguyên liệu để tông hợp thủy tinh hữa cơ. Từ aceton có thể tổng hợp ceten, sumfomat (thuốc ngủ), các holofom.

Benzen là chất lỏng linh động, không màu, có mùi đặc trưng, khúc xạ mạng ánh sáng, nhiệt độ bốc cháy là 10.7^oC, benzen hòa tan vô hạn trong các dung môi hữu cơ không phân cực.

CTPT:C₆H₆

KLPT: 78.11đvC

Tỷ trọng: d²⁰ = 0.8765

Nhiệt độ sôi: 80^oC

Nhiệt độ nóng chảy: 5.5^oC

Chỉ số khúc xạ:

Gây ung thư, làm hư màng nhày, gây khó ngủ, động kinh, giảm trí nhớ.

Dùng làm dung môi hòa tan mỡ, nhựa, iot, và để kết tinh hợp chất hữu cơ, làm dung môi để xác định trọng lượng phân tử, dùng trong phép soi kính hiển vi, xác định chỉ số khúc xạ, xác định chỉ số khúc xạ đối với các quặng, dùng trong tổng hợp hữu cơ.

Aceton – Benzen là hai chất lỏng tan lẫn hoàn toàn vào nhau. Nhiệt độ sôi của aceton (56.1^oC ở 760mmHg) và benzen (80.1^oC ở 760mmHg) cách nhau khá xa nên dùng phương pháp chưng cất có thể thu được aceton có độ tinh khiết cao.

Trong trường hợp ta không sử dụng phương pháp cô đặc vì cả hai cấu tử đều có khả năng bay hơi và không sử dụng phương pháp hấp thụ hay trích ly do phải đưa vào một pha mới để tách riêng 2 cấu tử làm cho quá trình tách phức tạp hơn.

III. Chọn phương pháp và loại tháp chưng cất:

III.1. Chọn phương pháp chưng cất:

Đối với chưng cất có hai phương pháp thực hiện:

Chưng cất đơn giản (dùng thiết bị hoạt động theo chu kì). Phương pháp này sử dụng trong các trường hợp sau:

- Khi nhiệt độ sôi của các cấu tử khá xa nhau:

- Khi không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao.

- Khi tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi.

- Tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử.

Chưng cất liên tục hỗn hợp nhiều cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục) là quá trình được thực hiện liên tục, nghịch dòng, nhiều đọan.

Ngoài ra còn có thiết bị hoạt động bán liên tục.

Trong trường hợp này do sản phẩm là aceton với yêu cầu có độ tinh khiết cao khi sử dụng va hỗ hợp aceton –benzen là hỗ hợp không có điểm đẳng phí nên chọn phương pháp chưng cất liên tục là hiệu quả nhất.

Có nhiều loại tháp được sử dụng nhưng đều có chung một yêu cầu cơ bản là diện tích bề mặt tiếp xúc pha lớn, hoạt động ổn định, hiệu suất cao, năng suất lớn, dễ chế tạo, lắp đặt,vận hành, sửa chữa và thay thế.

Các loại tháp thường dùng:

- Tháp màng:

Bề mặt tiếp xúc pha là bề mặt chất lỏng chảy thành màng theo bề mặt vật rắn thường là thẳng đứng. Bề mặt vật rắn có thể là ống, tấm song song hoặc đệm tấm.

Tháp màng có ưu điểm là trở lực thấp, sử dụng với vác chất có độ nhớt cao, thường được dùng trong tinh luyện dầu thực vật, tái chế dầu nhờn, chưng cất tinh dầu.

-Tháp đệm: cấu tạo gồm một thân tháp rộng có lưới đỡ đệm, ống dẫn khí và lỏng vào ra. Trong có đổ đầy các đệm làm từ các vật liệu khác nhau (gỗ, nhựa, kim loại, gốm sứ….) với nhiều hình dạng khác nhau (trụ, cầu. tấm, lò xo, yên ngựa…)

Tháp đệm có cấu tạo đơn giản, trở lực thấp nhưng có khối lượng lớn, hoạt động không ổn định, hiệu suất thấp do có hiệu ứng thành.

- Tháp đĩa:

Thường cấu tạo gồm thân hình trụ thẳng đứng, bên trong có đặt các tấm ngăn cách nhau một khoảng xác định. Trên mỗi đĩa hai pha chuyển động ngược hoặc chéo chiều: lỏng từ trên xuống, khí từ đưới lên hoặc xuyên qua chất l3ng chảy ngang. Ở đây tiếp xúc pha xảy ra theo từng bậc là đĩa.

Trong trường hợp này chọn tháp đĩa lỗ để thực hiện quá trình chưng cất vì các lý do sau:

Năng suất nhập liệu khá lớn 3500kg/h

Yêu cầu về độ tinh khiết cao 98% khối lượng

Tháp đĩa lỗ có kết cấu đơn giản, tiêu tốn ít vật tư chế tạo, trở lực thấp hơn so với tháp chóp, cho năng suất, hiệu suất cao, hoạt động ổn định.

Hỗn hợp Aceton – Benzen có nồng độ Aceton 35% (phần khối lượng), nhiệt độ 30^oC tại bồn chứa nguyên liệu (11) được bơm (1) bơm lên bồn cao vị (2) rồi được đưa qua thiết bị gia nhiệt (3) để đun nóng đến nhiệt độ sôi 66.2^oC. Sau đó hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất (5) ở đĩa nhập liệu.

Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn cất của tháp chảy xuống. Trong tháp, hơi đi từ dưới lên gặp chất lỏng từ trên xuống. Ở đây có sự tiếp xúc và trao đổi giữa hai pha với nhau. Pha lỏng chuyển động trong phần chưng càng xuống dưới càng giảm nồng độ cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi tạo nên từ nồi đun (9) lôi cuốn cấu tử dễ bay hơi. Do đó thành phần cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi sẽ tăng dần theo chiều cao của tháp. Nhiệt độ càng lên cao càng thấp nên khi hơi đi qua các đĩa từ dưới lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao là Benzen sẽ ngưng tụ lại. Cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp mà Aceton chiếm nhiều nhất (khoảng 98% khối lượng) va ở đáy tháp thu được hỗn hợp lỏng gồm hầu hết cấu tử khó bay hơi.

Để tăng mức độ tách, ở đoạn cất được bổ sung bằng một lượng lỏng hồi lưu từ đỉnh tháp, lượng lỏng hồi lưu được tạo ra nhờ ngưng tụ hơi đi ra từ đỉnh tháp trong thiết bị ngưng tụ (6), phần còn lại ở thiết bị ngưng tụ được đưa qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (8). Còn hỗn hợp lỏng ở đáy tháp được đưa ra khỏi tháp, một phần được dùng để đun bốc hơi ở nồi đun (9) cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại được đưa vào thiết bị làm lạnh (7) để vào bể chứa sản phẩm đáy (14).

Nồng độ nhập liệu: 35%(khối lượng)

Nồng độ sản phẩm đỉnh: 98% (khối lượng)

Nồng độ sản phẩm đáy: 0.5% (khối lượng)

Năng suất sản phẩm:3500 (kg/h)

Áp suất hơi đốt: 3 atm

Trạng thái nhập liệu: sôi

Tháp chưng cất loại: tháp đĩa không có ống chảy truyền

Thiết bị phụ: bơm nhập liệu, thiết bị trao đổi nhiệt

Các kí hiệu:

F: lượng nhập liệu ban đầu (kmol/h).

D: Lượng sản phẩm đỉnh (kmol/h).

W:Lượng sản phẩm đáy (kmol/h).

x_F: Nồng độ mol Axeton trong dòng nhập liệu.

x_D: Nồng độ mol Benzen trong sản phẩm đỉnh.

x_W: Nồng độ mol Benzen trong sản phẩm đáy.

I. Cân bằng vật chất:

- Chuyển từ phần khối lượng sang phần mol:

- Tính khối lượng phân tử trung bình của hỗn hợp:

M_F = x_FM_A + (1-x_F)M_B

= 0.42*58 + (1-0.42)*78 = 69.6 (kg/kmol)

M_D = x_DM₁ + (1-x_F)M_B

= 0.985*58 + (1-0.985)*78 = 58.3 (kg/kmol)

M_W = x_W. M₁ + (1-x_W).M_B

= 0.0067*58 + (1-0.0067*78 = 77.9 (kg/kmol)

- Suất lượng dòng nhập liệu:

- Phương trình cân bằng vật chất cho tháp chưng cất:

Cho toàn tháp: F = D + W (1)

Cho cấu tử dẽ bay hơi: F.x_F = D.x_D + W.x_W (2)

Từ (1) và (2) ta có hệ phương trình:







I.1 Cân bằng pha hệ Aceton – Benzen:

Thành phần cân bằng lỏng (x), hơi (y) tính bằng % mol va nhiệt độ sôi của hỗn hợp 2 cấu tử ở 760 mmHg.

x05102030405060708090100y01424.34051.259.465.57379.586.393.2100t80.178.376.472.869.666.764.362.460.759.658.856.1

I.2 Chỉ số hồi lưu thích hợp:

- Chỉ số hồi lưu tối thiểu:

Do nhập liệu ở trạng thái lỏng sôi nên:

- Chỉ số hồi lưu thích hợp:

Để xác định chỉ số hồi lưu thích hợp ta lập bảng:

R2.0162.22.32.533.544.5N_lt72564231262423(R+1)n_lt230.4184.8147124117120126.5Trong đó n_lt là số đĩa lý thuyết được xác định từ đồ thị.

Vẽ đồ thị (R – (R+1)n_lt). Từ đồ thị xác định được chỉ số hồi lưu thích hợp R = 3.5



I.3 Phương trình đường làm việc:

- Phương trình đường làm việc đoạn cất:

- Phương trình đường làm việc đoạn chưng:

Với

Từ phương trình đường làm việc ta xác định số đĩa lý thuyết theo đồ thị :số đĩa phần cất là 19, số đĩa phần chưng là 7

- Hiệu suất của tháp:

x,y: nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng, pha hơi.

Từ đồ thị (x – y) và (t – x,y) tìm nhiệt độ và nồng độ pha hơi cân bằng với pha lỏng tại các vị trí.

Tại mâm đỉnh:

x_D = 0.985

y_D = 0.99

t_D = 56.5^oC

Tại mâm nhập liệu:

x_F = 0.42

y_F = 0.606

t_F = 66.2^oC

Tại mâm đáy:

x_W = 0.0067

y_W = 0.019

t_W = 79.9^oC

- Xác định độ nhớt, độ bay hơi tương đối và hiệu suất ở các mâm

Tại mâm đỉnh:

lg= 0.985.lg 0.24.10^-3 + (1-0.985).lg0.4.10^-3

Tại mâm nhập liệu:

Tại mâm đáy:

- Hiệu suất trung bình của phần cất:

- Số mâm thực tế phần cất:

- Hiệu suất trung bình của phần chưng:

- Số mâm thực tế phần chưng:

Trong đó phần chưng có 12 mâm, phần cất có 36 mâm, mâm nhập liệu là mâm thứ 12 tính từ đáy tháp lên.

Phương trình cân bằng năng lượng:

Q_D1 + Q_f = Q_F + Q_ng1 + Q_xq1

Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào:

D₁: lượng hơi đốt (kg/h)

r₁: ẩn nhiệt hóa hơi (J/kg)

t₁: nhiệt độ nước ngưng

C₁: nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg. độ)

Ta sử dụng hơi nước bão hòa ở áp suất 3 atm, t_sôi = 132.9^oC, r₁ = 2171 (kJ/kg) để đun nóng dòng nhập liệu.

Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào:

t_f = 30^oC là nhiệt độ đầu của hỗn hợp

C_f: nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu (J/kg.độ)

(J/kg.độ) (Bảng I.153/[I] )

= 0.35*2210 +(1-0.35)*1777.5 = 1928.88 (J/kg. độ)

Q_f = 3500*1928.88*30 = 2.10⁸ (J/h) = 56.3 (kw)

Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra:



(J/kg.độ)

C_F = 2089.6 (J/kg.độ)

Q_F = 3500*2089.6*66.2 = 4.8.10⁸ (J/h) = 134.5 (kw)

Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra:

Q_ng1 = G_ng1.C₁.t₁ = D₁.C_1.t₁

G_ng1: lượng nước ngưng bằng lượng hơi đốt (kg/h)

Nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh lấy = 5% nhiệt lượng tiêu tốn: Q_xq1 = 0.05.D₁.r₁ (J/h)

Lượng hơi nước cần để đun nóng dòng nhập liệu đến nhiệt độ sôi:



II.2 Cân bằng năng lượng cho tháp chưng cất:

Phương trình cân bằng năng lượng:

Q_F + Q_D2 + Q_R = Q_y + Q_ng2 + Q_xq1 + Q_W

Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào:

D₂: lượng hơi đốt cần để đun bốc hơi dung dịch ở đáy tháp (kg/h)

r₂: ẩn nhiệt hóa hơi (J/kg)

t₂: nhiệt độ nước ngưng

C₂: nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg. độ)

Ta sử dụng hơi nước bão hòa ở áp suất 3 atm, t_sôi = 132.9^oC, r₁ = 2171 (kJ/kg) để đun bốc hơi dung dịch ở đáy tháp.

Nhiệt lượng do lỏng hồi lưu mang vào:

t_R = 56.7^oC là nhiệt độ của lỏng hồi lưu

C_R: nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu (J/kg.độ)

(J/kg.độ)

C_R = 2286.6 (J/kg. độ)

Q_R = 4334.6*2286.6*56.7 = 5.6.10⁸ (J/h) = 155.5 (kw)

Q_y = 1238.(1+3.5).650.10³ = 3.6.10⁹ (J/h) = 1006.8 (kw)

C_W: nhiệt dung riêng của sản phẩm đáy (J/kg.độ)

C_W = 2035.9 (J/kg. độ)

Q_W = 2261.5.2035.9.79.86 = 3.68.10⁸ (J/h) = 102.14 (kw)

Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra:

Q_ng2 = G_ng2.C_2.t₂ = D_2.C_2.t₂

Nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh lấy = 5% nhiệt lượng tiêu tốn ở đáy tháp: Q_xq2 = 0.05.D_2.r₂ (J/h)

Lượng hơi nước cần để làm bốc hơi hỗn hợp ở đáy tháp:

Phương trình cân bằng nhiệt lượng khi chỉ ngưng tụ lượng hồi lưu:

Chọn nhiệt độ vào và ra của nước lạnh:

t₁ = 27^oC, t₂ = 40^oC,

(J/kg)

=0.98*522.10³ + (1-0.98).410.10³ = 520.10³ (J/kg)

C_nl = 4176.6 (J/kg. độ)

Lượng nước lạnh tiêu tốn: