Tài liệu Thiết kế tháp chưng cất hệ acetone – benzen hoạt động liên tục với năng suất nhập liệu 30 tấnngày, nồng độ nhập liệu là 38%, nồng độ sản phẩm đỉnh là 98% và nồng độ sản phẩm đáy là 1%

LỜI MỞ ĐẦU Một trong những ngành có sự đóng góp to lớn đến công nghiệp nước ta nói riêng và thế giới nói chung, đó là ngành Công nghệ Dầu khí và khai thác dầu. Hiện nay, trong nhiều ngành sản xuất hóa chất cũng như sử dụng sản phẩm hóa học, nhu cầu sử dụng nguyên liệu hoặc sản phẩm có độ tinh khiết cao phải phù hợp với quy trình sản xuất hoặc nhu cầu sử dụng. Ngày nay, các phương pháp được sử dụng để nâng cao độ tinh khiết như trích ly, chưng cất, cô đặc, hấp thụ,… Tùy theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có sự lựa chọn phương pháp thích hợp. Đối với môn học Quá trình và thiết bị là môn học mang tính tổng hợp trong quá trình học tập của các kỹ sư hóa trong tương lai. Môn học giúp sinh viên giải quyết nhiệm vụ tính toán cụ thể về yêu cầu công nghệ, kết cấu, điều kiện vận hành, giá thành của một thiết bị trong quá trình thiết kế thiết bị. Đây là bước đầu tiên để sinh viên vận dụng những kiến thức đã học của nhiều môn vào giải quyết những vấn đề kĩ thuật trong thực tế một cách tổng quát. Nhiệm vụ của môn học này là thiết kế tháp chưng cất hệ acetone – benzen hoạt động liên tục với năng suất nhập liệu 30 tấn/ngày, nồng độ nhập liệu là 38%, nồng độ sản phẩm đỉnh là 98% và nồng độ sản phẩm đáy là 1% . 1 LỜI CẢM ƠN Em chân thành cảm ơn các quý thầy cô bộ môn Công nghệ Dầu khí và khai thác dầu, các bạn sinh viên đã giúp em hoàn thành đồ án này. Tuy nhiên, trong quá trình hoàn thành đồ án không thể tránh khỏi những sai sót, em rất mong quý thầy cô và các bạn đã góp ý, chỉ dẫn. 2 CAM ĐOAN Chúng tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung dự án do chính chúng tôi tìm kiếm tài liệu và tham khảo trình bày bên dưới là đúng sự thật. Không có sao chép từ bát cứ đồ án nào khá, tất cả những tham khảo và kế thừa đều được trích dẫn và tham chiếu đầy đủ. Chúng tôi chịu trách nhiệm từ cam đoan của mình. 3 MỤC LỤC 4 PHÂN CÔNG LÀM VIỆC CỦA NHÓM Bảng 1: Giản đồ GANTT 5 CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM, QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT BIỆN LUẬN LỰA CHỌN THÁP CHƯNG CẤT VÀ DÂY CHUYỂN CÔNG NGHỆ I. Tổng quan sản phẩm 1. Acetone a. Công thức cấu tạo, một số tính chất hóa lý đặc trưng - Axeton (bắt nguồn từ từ tiếng Pháp acétone), còn được viết là a-xê-tôn, là hợp chất hữu cơ, có công thức là (CH3)2CO. Axeton là một chất lỏng dễ cháy, không màu và là dạng xeton đơn giản nhất. Axeton tan trong nước và là dung môi chủ yếu dùng để làm sạch trong phòng thí nghiệm, đồng thời là một chất dùng để tổng hợp các chất hữu cơ và còn được sử dụng trong các thành phần hoạt chất của sơn móng tay. 6,7 triệu tấn axeton được sản xuất trên toàn thế giới trong năm 2010, chủ yếu sử dụng làm dung môi và sản xuất metyl metacrilat và bisphenol. - Công thức cấu tạo : H3C – C – CH3  O - Tên gọi: + Danh pháp IUPAC : propanone + Tên thông thường : axetone + Tên khác : dimetyl fomandehit Bảng 2: Tính chất hóa lý của axetone Trạng thái, màu sắc Chất lỏng, không màu Khối lượng mol 58.04 g/mol Khối lượng riêng 0.791 g.cm-3 Điểm nóng chảy -95 đến -930C ( -139 đến -1360F) (178 đến 180K) Điểm sôi 56 đến 570C ( 133 đến 1340F ) (329 đến 330 K) Độ hòa tan trong nước Tan vô hạn Độ axit (pKa) 19.2 Độ bazo (pKb) -5.2 6 Độ nhớt 0.3075cP Điểm bắt lửa -170C Điểm chớp cháy 3580C Tốc độ bay hơi 0.00143 b. Tính chất hóa học đặc trưng - Cộng H2O tạo rượu bậc 2   - Phản ứng OXH – Khử + Phản ứng Khử Để thực hiện phản ứng khử aceton có thể dùng H trên xúc tác Ni, Pt hoặc dùng LiAlH4. + Phản ứng OXH Khi gặp các chất oxi hóa mạnh như KmnO4/ H2SO4.; K2Cr2O7/ H2SO4, … thì aceton bị bẻ gãy các mạch C cạnh nhóm cacbonyl để tạo axit hữu cơ. + Cộng xianua tạo thành xianhydrin c. Phương pháp sản xuất acetone - Trong thời kỳ chiến tranh thế giới thứ nhất do nhu cầu về nguồn aceton rất lớn, nên Hoa Kỳ đã áp dụng phương pháp chưng cất khan Ca(CH 3COO)2 để thu được aceton bằng cách lên men rượu có mặt xúc tác của vi khuẩn để chuyển cacbohydrate thành aceton Butyl Alcohol. Công nghệ này được ứng dụng chủ yếu trong suốt cuộc chiến tranh thế giới lần thứ nhất vào những năm 20. Ca(CH3COO)2 → CaO + CO2↑ + (CH3)2CO 7 - Tuy nhiên, đến giữa năm 20 và cho đến nay thì công nghệ trên đã được thay thế bằng công nghệ có hiệu quả hơn, công nghệ này chiếm khoảng ¾ phương pháp sản xuất Aceton của Hoa Kỳ : Dehydro Isopropyl Alcol. - Ngoài ra, còn có một số quá trình sản xuất Aceton khác như :     Oxi hóa Cumen Hydro Peroxide thành Phenol và Acetone Oxi hóa trực tiếp Butan – Propan Lên men Carbon Hydrate bởi vi khuẩn đặc biệt (Clostridium acetobutylicum) Tổng hợp Aceton bằng cách Dehydro Isopropyl Alcol có xúc tác: CH3CHOHCH3 + 15.9 Kcal (ở 3270C )  CH3COCH3 + H2 - Xúc tác sử dụng: đồng và hợp kim của nó, oxit kim loại và muối - Khi nhiệt độ khoảng 325 độ C thì hiệu suất khoảng 97% dòng khí nóng sau phản ứng gồm có: Acetone, lượng Isopropyl Alcol chưa phản ứng, H2 và một phần nhỏ sản phẩm phụ như Propylene, disopropyl eter…. Hỗn hợp này sẽ được làm lạnh và khí không ngừng được lọc bởi nước. Dung dịch lỏng này được đem đi chưng cất phân đoạn sẽ thu được Aceton ở đỉnh và hỗn hợp của nước. Isopropyl Alcol (ít) ở đáy. d. Ứng dụng - Sản xuất sơn và nhựa resin - Dược và mỹ phẩm  Aceton dùng làm chất khử nứơc trong sản xuất thuốc và trong ngành công nghiệp mỹ phẩm và sơn, nước rửa móng tay, chân. - Nén khí Acetylene  Acetylene là một trong những loại khí công nghiệp quan trọng nhưng không thể nén một cách hiệu quả. Vì vậy,để bảo quản tốt các bình hình trụ mà không để xảy ra nguy cơ nổ thì aceton có thể hoà tan một lượng lớn khí Acetylene(khoảng 300 lần thể tích so vơí thể tích của chính nó). Acetylene được dùng trong bình khí cùng với khí acetone ở dạng đất sét hấp thụ. Do acetylene được hấp thụ hết bằng acetone nên khi khí Aceton bay ra sẽ kèm theo khí acetylene. Cho nên, ta cần phải bổ sung khí aceton mới đều đặn. - Ngoài ra còn có: dung môi tẩy rửa, mực in màu khô. 2. Benzen a. Công thức cấu tạo, tính chất hóa lý đặc trưng - Benzene là một hợp chất hữu cơ có công thức hoá học C6H6. Benzen là một hyđrocacbon thơm, trong điều kiện bình thường là một chất lỏng không màu, mùi dịu ngọt dễ chịu, dễ cháy. Benzen tan rất kém trong nước và rượu. Vì chỉ chứa carbon và hydro nên benzene là một hydrocarbon. 8 - Công thức cấu tạo : - Tên gọi : + Danh pháp IUPAC : Benzen + Tên khác : Benzol cyclohexa – 1,3,5 – trien Bảng 3: Tính chất hóa lý của Benzen Trạng thái, màu sắc Lỏng, không màu. Khối lượng mol 78.1121 g/mol Khối lượng riêng 0.8786 g/cm3 Điểm nóng chảy 5.50C ( 278.6 K) Điểm sôi 80.10C ( 353.2 K) Độ hòa tan trong nước 1.79 g/L ( 250 Độ nhớt 0.7528 cP ( 100C ) 0.6076 cP ( 250C ) 0.4965 cP ( 400C ) 0.3075 cP ( 800C ) - 110C Điểm bắt lửa b. Tính chất hóa học đặc trưng - Phản ứng thế - Phản ứng cộng + Cộng Cl2/UV và cộng H2/Ni 9 - Phản ứng oxi hóa vòng benzen + Vòng benzen bền vững với các chất oxi hóa mạnh thường được dùng để oxi hóa anken như CrO3, H2O2, KMnO4., …Tuy nhiên, khi có chất xt thích hợp, vòng benzen có thể bị oxi hóa không hoàn toàn bởi O2 kk. c. Phương pháp sản xuất benzen - Đi từ thiên nhiên + Thông thường các hydrocacbon ít được điều chế trong phòng thí nghiệm, vì có thể thu được số lượng lớn nó bằng phương pháp chưng cất than đá, dầu mỏ… - Đóng vòng và dehydro hóa ankan + Các ankan có thể tham gia đóng vòng và dehydro hóa tạo thành hydrocacbon thơm ở nhiệt độ cao và có mặt xúc tác như Cr2O3, hay các kim loại chuyển tiếp như Pd, Pt. CH3(CH2)4CH3  C6H6 - Dehydro hóa các cycloankan + Các cycloankan có thể bị dehydro hóa ở nhiệt độ cao với sự có mặt của các xúc tác kim loại chuyển tiếp tạo thành benzen hay các dẫn xuất của benzen C6H12  C6H6 - Đi từ acetylen + Đun acetane trong sự có mặt của xúc tác là than hoạt tính hay phức của niken như Ni(CO)[(C6H5)P] sẽ thu được benzen 3 C2H2  C6H6 d. Ứng dụng - Sản xuất styren cho tổng hợp polymer - Sản xuất cumen cho việc sản xuất cùng lúc axeton và phenol - Sản xuất cyclohexan tổng hợp nilon - Làm dung môi, sản xuất dược liệu II. Tổng quan về quá trình chưng cất 1. Quá trình chưng cất và phương pháp chưng cất 10 - Chưng cất là phương pháp tách hỗn hợp các cấu tử ( lỏng/khí) ra khỏi nhau dựa trên độ bay hơi khác nhau giữa các cấu tử trong hỗn hợp ( nghĩa là tại cùng một nhiệt độ thì áp suất hơi bão hòa của các cấu tử khác nhau. - Trong quá trình chưng pha mới được tạo nên bằng sự bốc hơi hoặc ngưng tụ để tạo nên sự tiếp xúc pha. - Trong quá trình chưng dung môi và chất tan đều bay hơi ( nghĩa là các cấu tử đều hiện diện trong cả hai pha nhưng với tỷ lệ khác nhau ). - Sản phẩm thu được từ quá trình chưng cất gồm: + Cấu tử nhẹ ( dễ bay hơi ): thu được ở đỉnh + Cấu tử nặng ( khó bay hơi ): thu được ở đáy + Đối với hệ acetone – benzen  Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm acetone và một ít benzen  Sản phẩm đáy chủ yếu gồm benzen và một ít acetone - Trong sản xuất ta gặp các phương pháp chưng cất sau: + Chưng đơn giản: dùng để tách hỗn hợp gồm có các cấu tử có độ bay hơi rất khác nhau. Phương pháp này thường dùng để tách sơ bộ và làm sạch các cấu tử khỏi tạp chất. + Chưng bằng hơi nước trực tiếp: dùng để tách các hỗn hợp gồm các chất khó bay hơi và tạp chất không bay hơi, thường được ứng dụng trong trường hợp chất được tách không tan vào nước. + Chưng chân không: dùng trong trường hợp cần hạ thấp nhiệt độ sôi của cấu tử. Phương pháp này được sử dụng đối với các cấu tử dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao hay trường hợp các cấu tử có nhiệt độ sôi quá cao. + Chưng luyện: là phương pháp phổ biến nhất 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. 2. Hệ thống chưng cất 11 Hình 1:Hệ thống quá trình chưng cất - Tháp chưng cất: + Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để tiến hành chưng cất + Yêu cầu cơ bản của các thiết bị vẫn giống nhau: diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn để đảm bảo quá trình chuyển khối, điều này phụ thuộc vào mức độ phân tán của một lưu chất này vào lưu chất kia + Nếu pha khí phân tán vào trong pha lỏng ta có các loại tháp đĩa, nếu pha lỏng phân tán vào pha khí thì ta có tháp đệm. - Ưu, nhược điểm của tháp đệm, tháp đĩa chóp và tháp đĩa lỗ 12 Bảng 4: Ưu điểm, nhược điểm của tháp đĩa và tháp đệm Ưu điểm Tháp đệm Tháp địa chóp Tháp đĩa lỗ - Cấu tạo đơn giản - Năng suất cao - Trở lực nhỏ - Hoạt động ổn định - Chế tạo đơn giản và tiêu tốn ít hơn tháp đĩa chóp - Hiệu quả tách cao - Hoạt động khá ổn định - Chi phí lắp đặt thấp - Hiệu suất tương đối cao - Làm việc với chất lỏng bẩn Nhược điểm - Thiết bị nặng, năng suất thấp, độ ổn định thấp - Chi tiết cấu tạo đơn giản -Vệ sinh khó khăn nên không sử dụng được với chất lỏng bẩn - Tốn nhiều vật liệu kim loại - Trở lực lớn 13 - Trở lực khá cao - Yêu cầu lắp đặt khắt khe (lắp đĩa thật phẳng, lưu lượng làm việc phải phù hợp với kích thước lỗ ) - Sơ đồ tổng quát dây chuyền công nghệ Hình 2: Sơ đồ tổng quát dây chuyền công nghệ CHƯƠNG II TÍNH CÔNG NGHỆ THIẾT BỊ CHÍNH I. Cân bằng vật chất 1. Các thông số ban đầu - Năng suất theo nhập liệu : 30 tấn/ ngày - Phần khối lượng cấu tử nhẹ trong dòng nguyên liệu : aF = 38 % - Phần khối lượng cấu tử nhẹ trong dòng sản phẩm đỉnh : aP = 98% - Phần khối lượng cấu tử nhẹ trong dòng sản phẩm đáy : aw = 1% - Nguyên liệu vào hệ thống ở nhiệt độ sôi - Quá trình làm việc ở áp suất bình thường - Loại thiết bị là tháp đĩa 14 - Khối lượng phân tử của Acetone và Benzen: MA = 58, MB = 78;  Các kí hiệu + GF, GP, Gw : Lưu lượng khối lượng dòng nguyên liệu, sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy + aF, aP, aw : Phần khối lượng cấu tử nhẹ trong dòng nguyên liệu, sản phẩm đỉnh và đáy + xF, xP, xw : Phần mol cấu tử nhẹ trong dòng nguyên liệu, sản phẩm đỉnh và đáy 2. Xác định lưu lượng mol của sản phẩm đỉnh và đáy Ta có: GF = 30 tấn/ ngày  1250 kg / h Gp = GF . ( aF – aw ) – ( aP – aw ) = 1250 . ( 0,38 – 0,01) – ( 0,98 -0,01) = 461,53 ( kg/h ) Ta có: GF = GP + Gw => Gw = GF - GP = 1250 – 461,53 = 788,47 ( kg/h ) - Phần mol 15 aF MA Ta có: XF = aF MA 1−a F + aP P = 1−a MA P + X = 0,38 + 58 1−a MA 0,98 58 0,98 + 58 MB aW MA aW 1−0,38 78 = 0.452 ( % mol ) MB a MP A X = W = 0,38 58 W + = = 0,985 ( % mol ) 1−0,9 8 78 0,01 58 0,01 + 58 = 0,0134 ( % mol ) 1−0,01 78 MB - Lưu lượng mol : GF . aF 1250.0,38 F = M A + GF . ( 1 − a F ) + = 58 MB 78 = 8,18 ( kmol/h) xF −x w 0,452 P = F− . 0,0134 = 18,12 . x P −x w 1250.(1−0,38) 0,985−0,0134 Ta có phương trình cân bằng vật viết cho toàn tháp: F=P+W => W=F–P = 18,12 – 8,18 = 9,94 (kmol /h) Như vậy ta có bảng tổng kết thành phần sản phẩm như sau: Bảng 5 :Tổng kết thành phần sản phẩm 16 = 18,12 (kmol/h) Nồng độ phẩn khối lượng Nồng độ phần mol Lưu lượng Lưu lượng ( kmol/ h) ( kg/h ) Hỗn hợp đầu 0.38 0.452 18.12 1250 Sản phẩm đỉnh 0.98 0.985 8,18 461,53 Sản phẩm đáy 0.01 0.0134 9.94 788.47 Bảng 6: Thành phần cân bằng lỏng (x) – hơi (y) theo % mol và nhiệt độ sôi của hỗn hợp 2 cấu tử Acetone – Benzen ở 760 mmHg x 0 5 10 y 0 13.14 249 23.135 94 37.532 47.7 55.9 63.1 19 8483 5051 1954 69.9 76.8 514 7877 8 80.2 76.13 72.786 518 55650 76171 852 2 4 67.711 64.1 61.5 59.7 82699 3333 8346 8667 653 38 925 T0 20 30 40 Hình 3: Đường cần bằng x-y 50 60 70 80 90 100 84.1 727 91.9 3015 100 58.5 57.7 57.2 56.8 601 6201 5675 8726 890 011 351 299 2 56.4 482 082 8 Hình 4: Đường cân bằng T –x – y Bảng 7: Thành phần Acetone – Benzen trong hỗn hợp 17 Nhiệt độ sôi ( 0C ) Thành phần của Acetone trong hỗn hợp % Khối lượng Phần mol x Phần mol y tF = 67.280C AF = 0.38 XF = 0.452 YF = 0.578 tP = 56.640C AP = 0.98 XP = 0.985 YP = 0.986 tw = 80.0960C Aw = 0.01 xw = 0.0134 Yw = 0.028 3. Xác định tỉ số hồi lưu thích hợp a. Tỉ số hồi lưu tối thiếu  Xác định số đĩa lý thuyết Tỉ số hồi lưu tối thiểu Từ giá trị nôi suy ta suy ra y*F= 0.597519 x − y¿ 0.985−0.597519 R xmin 0.597519−0.452 y¿ −x P F = = 18 = 2.6627 F F Trong đó: yF* là nồng độ cân bằng ứng với xF Tỉ số hồi lưu làm việc - Thường được xác định theo tỉ số hồi lưu tối thiếu Rx = b . Rxmin Trong đó: hệ số dư b = 1.4 ÷ 3 Vấn đề chọn chỉ số hồi lưu thích hợp rất quan trọng vì khi chỉ số hồi lưu bé thì số bậc của tháp lớn nhưng tiêu tốn hơi đốt ít, ngược lại thì khi chỉ số hồi lưu lớn thì số bậc của tháp ít hơn nhưng tiếu tốn hơi đốt rất lớn.  Ta phải xác định Rx từ điều kiện tháp nhỏ nhất (Vlàm việc ~ Nlt (Rx +1)) - Với các giá trị Rx > Rxmin ta tìm được các giá trị tung độ B tương ứng xP B= Rx +1  Với b = 3 19 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Hình 5: Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết của hỗn hợp tại b = 3  Với b = 2,8 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Hình 6: Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết của hỗn hợp tại b = 2,8  Với b = 2,6 20 100