TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG LUYỆN HỖN HỢP HAI CẤU TỬ CS2 – CCl4

1
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

NGÀNH QUÀ TRÌNH - THIẾT BỊ TRONG CÔNG NGHỆ HÓA HỌC




ĐỒ ÁN MÔN HỌC

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG
LUYỆN HỖN HỢP HAI CẤU TỬ CS
2
– CCl
4













Người thiết kế: Đậu Văn Viên

Lớp: Hóa dầu - QN
Lớp: K48
Người hướng dẫn: Nguyễn Hữu Tùng







Hà Nội 2007



2
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Độc lập - Tự do - Hạnh phúc




KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
BỘ MÔN QT – TB CÔNG NGHỆ HÓA THỰC PHẨM

NHIỆM VỤ
THIẾT KẾ MÔN HỌC



Họ và tên: Đậu Văn Viên

Lớp: Hóa dầu – K48 QN
Nhóm 2

I. Đầu đề thiết kế
Thiết kế và tính toán hệ thống chưng luyện liên tục làm việc ở áp suất thường để
tách hỗn hợp hai cấu tử CS
2
– CCl
4
.
Hỗn hợp đầu vào tháp ở nhiệt độ sôi
Lọai tháp:
II. Các số liệu ban đầu
- Năng suất thiết bị tính theo hỗn hợp đầu:
- Nồng độ tính theo cấu tử dễ bay hơi:
+ Hỗn hợp đầu(a
F
):
+ Sản phẩm đỉnh(a
p
):
+ Sản phẩm đáy(a
w
):
III. Yêu cầu thiết kế
1. Phần mở đầu
2. Vẽ thuyết minh dây chuyền sản xuất
3. Tính toán thiết bị chính:
a. Tính cân bằng vật liệu toàn thiết bị
b. Tín đường kính và chiều cao tháp

c. Tính trở lực
d. Tính toán cơ khí
4. Tính và chọn thiết bị phu
Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu và bơm

3
5. Kết luận
6. Tài liệu tham khảo
IV. Các bản vẽ và đồ thị
Bản vẽ dây chuyền sản xuất: A
4

Bản vẽ thiết bị chính: A
1

V. Cán bộ hướng dẫn: Nguyễn Hữu Tùng
VI. Ngày giao nhiệm vụ thiết kế:
VI. Ngày hoàn thành: 19/ 11/2007


Ngày tháng năm 2007
Ban chủ nhiệm khoa Cán bộ hướng dẫn thiết kế
(Họ tên và chữ ký) (họ tên và chữ ký)



Đánh giá kết quả:
Điểm thiết kế:
Điểm bảo vệ:
Điểm tổng hợp:

Ngày tháng năm 2007 Ngày tháng năm 2007
Cán bộ chấm bài Người nhận
(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)













4
Lời mở đầu

Trong lịch sử loài người việc chưng tách các cấu tử được ứng dụng từ rất sớm
để tách các loại tinh dầu, khi axit sunfuric, axit nitric và đặc biệt là từ khi rượu được
khám phá thì chưng cất trở thành phương pháp hết sức quan trọng. Ngày nay chưng
cất phát triển rất mạnh được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và đời sống. Đặc
biệt đối với nhiều ngành trong công nghệ hóa chất thì chưng cất là một khâu quan
trọng không thể thiếu.
Đối với nhiều quá trình công nghệ yêu cầu tách hỗn hợp các chất với nồng độ
cao, năng suất lớn do đó người ta sử dụng phương pháp chưng luyện liên tục.
Chưng luyện là phương pháp dùng nhiệt để tách hỗn hợp các cấu tử có nhiệt độ sôi
khác nhau có hồi lưu trở lại một lượng sản ở sản phẩm đỉnh. Do đó chỉ số hồi lưu là

thông số quan trọng nhất quyết định tính kinh tế và kĩ thuật của quá trình chưng
luyện.
Đồ án này tính toán và thiết kế tháp chưng luyện liên tục ở áp suất khí quyển
hỗn hợp hợp gồm hai cấu tử CS
2
– CCl
4
. Thông thường người ta điều chế CCl
4
bằng
cách clo hóa CS
2
nên việc chưng tách hỗn hợp này là rất quan trọng và có ý nghĩa
lớn trong thực tế. Đây là hỗn hợp hai cấu tử ở dạng lỏng tan lẫn vào nhau có nhiệt
độ sôi cách xa nhau. CS
2
có nhiệt độ sôi là 42,2
0
C, rất độc nên dùng làm thuốc trừ
sâu trong nông nghiệp, là dung môi rất tốt cho nhiều chất như brom, iot, lưu huỳnh,
photpho, chất béo, sáp, nhựa, cao su v.v…Trên thực tế CS
2
thường dùng được làm
dung môi và chất chiết. Phần lớn lượng CS
2
được sản xuất là để dùng vào công
nghiệp sợi. CCl
4
có nhiệt độ sôi là 77
0

C thường được dùng để làm dung môi không
cháy đối với các chất béo và dùng để dập tắt lửa.
Đồ án tính toán, thiết kế này nhằm giúp thành thạo và ngày càng hoàn thiện hơn
các kỹ năng tính toán, khả năng tra cứu tài liệu. Đồng thời giúp hiểu sâu sắc hơn về
phương pháp chưng cất nói chung và phương pháp chưng luyện nói riêng bổ sung
vào kiến thức môn hóa công cũng như các môn học liên quan.
















5


Chú thích:
1. Thùng chứa hỗn hợp đầu
2. Bơm
3. Thùng cao vị
4. Thiết bị ống chùm để gia nhiệt hỗn hợp đầu

5. Tháp chưng luyện
6. Thiết bị ống chùm ngưng tụ sản phẩm đỉnh
7. Thiết bị phân chia dòng hồi lưu
8. Thiết bị ống chùm làm lạnh sản phẩm đỉnh
9. Thiết bị đun bốc hơi đáy tháp
10. Thùng chứa sản phẩm đỉnh
11. Cửa tháo nước ngưng
12. Thùng chứa sản phẩm đáy

Nguyên lí hoạt động
Hỗn hợp CS
2
và CCl
4
từ thùng chứa ban đầu (1) được bơm lên thùng cao vị
bằng bơm (2). Chất lỏng trên thùng cao vị nếu vượt quá mức quy định thì sẽ được
cho chảy trở lại thùng chứa (1) đầy thùng chứa. Hỗn hợp CS
2
– CCl
4
từ thùng cao
vị sẽ đi qua thiết gia nhiệt hỗn hợp đầu. Ở đây hỗn hợp đầu được đun nóng đến
nhiệt độ sôi bằng hơi nước bão hòa sau đó đi và tháp chưng luyện (5) tại đĩa tiếp
liệu.Trong tháp chưng luyện hơi đi từ dưới lên và lòng đi từ trên xuống quá trình
chuyển khối xảy ra trong các lớp đệm của thiết bi. Theo chiều cao tháp thì càng lên
cao nhiệt độ càng giảm do đó CCl
4
có nhiệt độ sôi thấp hơn sẽ ngưng tụ lại thành
lỏng đi xuống phía đáy tháp đồng thời nhiệt tỏa ra khi ngưng tụ sẽ giúp làm bay hơi
CS

2
. Do đó hơi đi lên từ đáy tháp chứa chủ yếu là CS
2
và ở đáy tháp là hỗn hợp giàu
CCl
4
. Hơi ở đỉnh tháp chứa một ít CCl
4
đi qua thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh (6)
ngưng tụ thành lỏng và nhờ thiết bị phân chia dòng (7) thì một phần sản đỉnh được
hồi lưu trở lại tháp để tăng độ tinh khiết của sản phẩm đỉnh. Phần còn lại nồng độ
đạt yêu cầu được đưa qua thiết bị làm lạnh (8) để làm lạnh đến nhiệt độ thường
trước khi đi vào thiết bị chứa sản phẩm đỉnh (10). Hỗn ở sản phẩm lỏng ở đáy tháp
một phần cũng được hồi lưu trở lại, được đun bốc hơi nhờ thiết bị (9) và đi vào đáy
thiết bị chưng luyện. Phần còn lại được đưa vào thiết bị chứa sản phẩm đáy (11).









6


Phần III. TÍNH TOÁN KĨ THUẬT VÀ THIẾT BỊ CHÍNH

I.Đổi nồng độ phần khối lượng sang nồng độ phần mol

Ta có nồng độ mol của cấu tử dễ bay hơi:

x
=
B
B
A
A
A
A
M
a
M
a
M
a

, phần mol [II – 126]
Nồng đô mol của CS
2
trong hỗn hợp đầu

F
x =
42
2
CCl
F
CS
F

CS
F
M
a
M
a
M
a

=
154
22.01
76
22.0
76
22.0


= 0.36 phần mol;
Nồng độ mol của CS
2
trong hỗn hợp sản phẩm đỉnh:

P
x
=
42
2
1
CCl

P
CS
P
CS
P
M
a
M
a
M
a


=
154
97.01
76
97.0
76
97.0


= 0.98 phần mol;
Nồng độ mol của CS
2
trong hỗn hợp sản phẩm đáy:

W
x =
42

2
1
CCl
w
CS
w
CS
w
M
a
M
a
M
a


=
154
005.01
76
005.0
76
005.0


= 0.01 phần mol.
II/ Biểu diễn đường cân bằng pha
Hình II.2.1
III. Giải cân bằng vật liệu
III.1. Tính theo phần khối lượng (kg/s)

- Phương trình cân bằng vật liệu cho toàn tháp:
WPF



-Đối với cấu tử dễ bay hơi:
WpF
xWxPxF 

Do đó ta có:



W
=
wP
PF
aa
aaF

 )(
=
005,097,0
)22,097,0.(2,5


= 4,04 kg/s

WFP



= 5,02 – 4,04 = 1,16 kg/s
III.2 Tính theo phần mol (mol/s)

7

`

WWPPFF
xGxGxG 

[II-144]

W
=
WP
F
F
xx
xx
G


P
[II - 144]
= 5,2 .
005,098,0
22,098,0



= 4,04 kg/s

F
G =
F
M
F


F
M : Khối lượng mol trung bình của hỗn hợp đầu, kg/mol

F
M = x
F
.
2
CS
M + (1 - x
F
).
4
CCl
M
= 0,36.76 + (1 – 0,36a).154 = 125,92 kg/mol

F
G
=
F

M
F
=
92,125
2,5
= 0,0413 kmol/s

W
G

= 0,0413.
005,098,0
36,098,0


= 0,026 kmol/s

WFP
GGG 
= 0,041 – 0,026 = 0,015 kmol/s
IV.Tính chỉ số hồi lưu tối thiểu và chỉ số hồi lưu thích hợp
IV.1. Tính chỉ số hồi lưu tối thiểu
Chỉ số hồi lưu tối thiểu được xác định theo công thức:

min
R =
F
FP
xy
yx



*
F
*
[II-158]
*
F
y : Phần mol cấu tử dễ bay hơi ở trạng thái cân bằng, phần mol
x
F
, x
P
: Phần mol của cấu tử dễ bay hơi ở hỗn hợp đầu và sản phẩm đỉnh.
Từ số liệu thành phần cân bằng lỏng-hơi của bảng I.X.2a[2-145] ta vẽ được đồ
thị đường cân bằng như hình IV.1 và từ đồ thị ta xác định được
*
F
y = 0,61.

min
R =
36,061,0
61,098,0


= 1,48
IV.2.Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp
Tính chỉ số hồi lưu thích hợp (
`th

R
) dựa vào hệ số hồi lưu ( hệ số hiệu chỉnh):


=
min
R
R
th
[II - 158]
Thông thường

có giá trị từ 1- 2,5.
Chỉ số hồi lưu thích hợp ứng với giá trị cực tiểu trên đường cong biểu quan hệ
giữa )1( RN
lt
và
R
. Trong đó:
lt
N : Số đĩa lí thuyết,

R
: Chỉ số hồi lưu
Bằng phương pháp đồ thị ta xác định được số bậc thay đổi nồng độ (N) khác
nhau tương ứng với các giá trị

khác nhau theo đồ thị từ hình IV.2.1 – IV.2.6.

8

Kết quả được tổng hợp dưới bảng sau:



1,2 1,3 1,4 1,5 1,8 2,0
x
R
1,77 1,92 2,07 2,22 2,67 2,96
B

35,5 33,7 32 30,6 26,6 24,8
lt
N

21 19,5 18 17 15 14
)1( RN
lt
58,17 56,94 55,26 54,74 55,00 56,44

Từ bảng số liệu trên ta xây dựng được đồ thị quan hệ giữa )1( RN
lt
và
R
như
hình IV.2.7. Điểm cực tiểu trên đồ thị ứng với giá trị chỉ số hồi lưu
th
R = 2,4.
Đồ thị IV.2.8 biểu diễn quan hệ y – x, đường làm việc đoạn chưng, đoạn luyện
và số bậc thay đổi nồng độ ứng với
th

R = 2,4 và
lt
N = 16,
l
lt
N
= 9,
c
lt
N
= 7.
IV.3. Phương trình đường làm việc của đọan chưng và đoạn luyện
* Phương trình đường làm việc đoạn luyện

Y
=
x
R
R
th
th
1
+
P
th
x
R 1
1

[II-158]

=>
Y
= 0,7
x
+ 0,29
p
x
* Phương trình làm việc đoạn chưng

'
Y
=
'
1
x
R
fR



+
W
x
R
f
1
1


[II-158]

f
=
P
F
=
16,1
2,5
= 4,48
=>
'
Y
= 2,02 x – 1,02
W
x
V. Tính đường kính thiết bị
Đường kính thiết bị được tính theo công thức sau:

D
=
tb
V
tb

.3600.
4
, m [II-181]
Hay là:

D

=
)(
0188,0
yy
tb
g

, m
Trong đó:

D
: Đường kính tháp.

tb
V : Lượng hơi (khí) trung bình đi trong tháp, m
3
/h.

tb

: Tốc độ hơi (khí) trung bình đi trong tháp, m/s.

tb
G : Lượng hơi ( khí) trung bình đi trong tháp, kg/h.

9

tbyy
g )(


:Tốc độ hơi (khí) trung bình đi trong tháp, kg/m
2
s.
V.1.Tính lượng lỏng và lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện và đoạn chưng
của tháp
Công thức tính lượng dòng lỏng:

l
x
G
=
RP.
p
l
M
M
, kg/s [III - 117]

c
x
G
=
RP.
p
c
M
M
, kg/s [III - 118]
Và cho dòng hơi:

l
y
G
= P(R +1)
p
l
M
M
, kg/s [III - 118]

c
y
G
= P(R +1)
p
c
M
M
, kg/s [III - 118]
Trong đó:

l
x
G
,
l
y
G
: Lượng dòng lỏng và dòng hơi trong đoạn luyện, kg/s;

c
x
G
,
c
y
G
: Lượng dòng lỏng và dòng hơi trong đoạn chưng, kg/s;

P
M
:
Khối lượng mol của sản phẩm đỉnh, kg/kmol;

cl
MM , : Khối lượng mol trung bình của lỏng trong đoạn luyện và đoạn
chưng của tháp, kg/mol.
Ta có:

l
M =
2
CS
M .
l
tb
x +
4
ccl
M (

l
tb
x1 )

[III – 118]

c
M

=
2
CS
M .
c
tb
x + )1(
4
c
tbCCl
xM  [III – 118]

l
tb
x ,
c
tb
x : Phần mol trung bình của đoạn luyện và đoạn chưng, phần mol

l
tb

x
= 67,0
2
36,098,0
2




Fp
xx
phần mol

c
tb
x
= 185,0
2
01,036,0
2




wF
xx
phần mol

l
M = 76.0,67 + 154.(1 – 0,67) = 101,74 kg/mol

c
M = 76.0,185 + 154.(1 – 0,185) = 139,57 kg/mol
Thay các giá trị vào phương trình tính lượng hơi và lượng lỏng ta được:

l
x
G
=
p
l
M
M
RP
=
73,3
76
74,101
4,2.16,1 
kg/s

c
x
G
=
p
c
M
M
RP

=
11,5
76
57,139
4,2.16,1 
kg/s

l
y
G
=
p
l
M
M
RP )1( 
=
28,5
76
74,101
)14,2(16,1 
kg/s

10

c
y
G
=
p

c
M
M
RP )1(  = 24,7
76
57,139
)14,2(16,1  kg/s
V.2. Vận tốc hơi đi trong tháp
Vận tốc hơi đi trong tháp được tính theo công thức sau:

125,0
25,0
16,0
2
75,1125,0


lg










































x

y
y
x
n
x
xtd
yds
G
G
Vg






[II-187]

Trong đó:

s

: Vận tốc sặc, m/s;

d

: Bề mặt riêng của đệm, m
2
/m
3

;
V
td
: Thể tích tự do của đệm, m
3
/m
3
;
g: Gia tốc trọng trường, m/s
2
;

yx

, : Khối lượng riêng của pha lỏng và pha hơi, kg/m
3
;

nx

,
: Độ nhớt của pha lỏng và độ nhớt của nước ở 20
0
C, N.s/m
2
;
G
x
, G
y

: Lượng lỏng và lượng hơi trung bình, kg/s.
V.2.1. Nhiệt độ trung bình của đoạn luyện và đoạn chưng
Từ số liệu trong bảng I.X.2a[2-145] ta xây dựng được đồ thị quan hệ t-x,y như
hình V.21. Qua đồ thị ta xác định được: t
w
= 76,08
0
C, t
F
= 60,29
0
C, t
P
= 46,62
0
C.Ta
có:
C
tt
t
PF
l
tb
0
45,53
2
62,4629,60
2







C
tt
t
wF
c
tb
0
18,68
2
08,7629,60
2






V.2.2. Khối lượng riêng của pha hơi và pha lỏng trong tháp
* Pha lỏng
Dựa vào số liệu quan hệ

- t trong bảng I.2[I-9] và bằng phương pháp nội suy
trên đồ thị V.2.2 ta xác định được:

1211
2


l
CS

kg/m
3


1530
4

l
CCl

kg/m
3


1186
2

c
CS

kg/m
3


c
CCl

4

= 1498 kg/m
3

Trong đó:

l
CS
2

: Khối lượng riêng của CS
2
lở đoạn luyện;

l
CCl
4

: Khối lượng riêng của CCl
4
ở đoạn luyện;

c
CS
2

: Khối lượng riêng của CC
2
ở đoạn chưng;

11

c
CCL
4

: Khối lượng riêng của CCl
4
ở đoạn chưng.
Khối lượng riêng của hỗn hợp CS
2
- CCl
4
ở đoạn luyện và đoạn chưng được xác
định theo công thức sau:

l
CCl
l
CS
l
x
xx
42
21
1



c
CCl
c
CS
c
x
xx
42
'
2
'
1
1


Với:
x
1,
x
2
: Nồng độ phần khối lượng của CS
2
và CCl
4
ở đoạn luyện;
x
1
’
, x

2
’
: Nồng độ phần khối lượng của CS
2
và CCl
4
ở đoạn chưng.
Ta có:
59,0
2
22,097,0
2
1





FP
aa
x phần mol

'
12
1 xx  = 1-0,595 = 0,41 phần mol

11,0
2
005,022,0
2

'
1





wF
aa
x
phần mol

89,01
1
'
2
 xx
phần mol
=> 1322
1530
41,0
1211
59,01

l
x

kg/m
3

=>
1455
1125,01
42
'
2

c
CCl
c
CS
c
x
x

kg/m
3

* Pha hơi:
- Đoạn luyện:

 
l
tb
l
l
y
tT
TM



0
0
4,22
.

, kg/m
3


 
80,3
45,532734,22
273.74,101


 kg/m
3

- Đoạn chưng:

 
c
tb
c
c
y
tT
TM



0
0
4,22
.

, kg/m
3
=
 
18,682734,22
273.57,139

= 4,98 kg/m
3

V.2.3. Độ nhớt của hỗn hợp
Dựa vào số liệu quan hệ

-trong bảng I.101[I-91] và bằng phương pháp nội suy
trên đồ thị V.2.3 ta xác định được:

l
C
2
S

= 0,263.10
-3
Ns/m

2;

l
CCl

= 0,627.10
-3
Ns/m
2
.

12

c
CS
2


= 0,234.10
-3
Ns/m
2
;


c
CCl
4


= 0,543.10
-3
Ns/m
2
.

Trong đó:

l
C
2
S

: Độ nhớt của CS
2
ở đoạn luyện, N.s/m
2

l
CCl
4

:
Độ nhớt của CCl
4
ở đoạn luyên, N.s/m
2


c

CS
2


: Độ nhớt của CS
2
ở đoạn chưng, N.s/m
2


4
c
CCl

: Độ nhớt của CCl
4
ở đoạn chưng, N.s/m
2

Độ nhớt của hỗn hợp lỏng được xác định như sau:
lg
x

=
tb
x lg
2
CS

+ (1 –

tb
x )lg
4
CCl


- Đoạn luyện:
lg
l
x

=
lg.
l
tb
x
l
C
2
S

+ (1-
lg.
l
tb
x
l
CCl
4


= 0,67.lg0,263.10
-3
+ (1- 0,67).lg0,63.10
-3

= -3,45
=>
l
x

= 0,350.10
-3
N.s/m
2

- Đoạn chưng:
lg
c
x

=
c
tb
x
.lg
c
CS
2


+ (1-
c
tb
x
).lg
4
c
CCl


= 0,18lg0,234.10
-3
+ (1 - 0,18)lg0,543.10
-3

= -3,33
=>
c
x

= 0,465.10
-3
N.s/m
2
.
V.2.4. Chọn loại đệm(Thể tích tự do và bề mặt riêng của đệm)
Chọn loại đệm vòng Rasiga làm bằng thép có kích thước 35x35x4,0mm. Tra số
liệu trong bảng [II - 193] ta có:

d

= 135 m
2
/m
3
;

d
V = 0,78 m
3
/m
3
;

d

= 520 kg/m
3
.
Thay các số liệu vào công thức ta có:
lg



















16,0
3
2
n
l
x
l
xtd
l
yd
l
s
gV




= - 0,125 – 1,75
125,025,0
.

















l
x
l
y
l
y
l
x
G
G



lg





















16,0
3
3
3
2
10
10.350,0
1322.78,0.81,9
8,3.135
l

s

= -0,125 – 1,75.
125,0
25,0
1322
8,3
.
28,5
73,3















lg0,072.


2
l

s

= - 0,90

l
s

= 1,32 m/s

13
lg


















16,0

3
2
n
c
x
c
xtd
c
yd
c
s
gV




= - 0,125 – 1,75
125,0
25,0
.

















c
x
c
y
c
y
c
x
G
G



lg





















16,0
3
3
3
2
10
10.465,0
1455.78,0.81,9
98,4.135
c
s

= - 0,125 – 1,75.
125,0
25,0
1455
98,4
.
24,7
11,5














lg0,088.


2
c
s

= - 0,91

c
s

= 1,18m/s
Vận tốc làm việc thường bằng (0,7 ÷ 0,8)
s

. Chọn

s

.75,0 ta có:

l

= 0,75.1,1,32 = 0,99m/s;

c

= 0,75.1,18 = 0,86m/s.
Vậy ta có:

l
D = 0,0188
34,1
8,3.17,1
3600.28,5

m;

c
D = 0,0188.
98,4.99,0
3600.24,7
=1,44 m.
Quy chuẩn đường kính ta có:

l
D

= 1,4m;

c
D = 1,4m.
Tính lại vận tốc phun ta có:

l

= 0,91m/s

0,70%
s

;

c

= 0,94m/s

0,80%
s

.
Như vậy tốc độ phun hơi nằm trong khoảng (0,8 ÷ 0,9)
s

nên ta chọn đường
kính của thiết bị
l

D =
c
D =1,4m là chấp nhận được.
VI. Tính chiều cao tháp chưng luyện
Đối với tháp chưng luyện loại đệm chiều cao tháp thường được tính theo số đơn
vị chuyển khối:

ydvt
mhH . , m;
Hay:

xdvt
mhH .
, m. [II-175]
h
dv
: chiều cao của 1 đơn vị chuyển khối, m;
m
x
, m
y
: Số đơn vị chuyển khối xác định theo nồng độ trong pha lỏng và pha
hơi.
VI.1. Xác định số đơn vị chuyển khối
- Số đơn vị chuyển khối được xác định bằng phương pháp tích phân đồ thị:

14

y
m

=


2
1
y
y
cb
yy
dy
. [II-176]
Trong đó:

cb
y
: Thành phần mol của pha hơi;

y
: Thành phần làm việc của pha hơi.
- Phương pháp xác định:
Cho nhiều giá trị của x, theo đồ thị đường cân bằng và đường làm việc ở R
th
xác
định được các giá trị của
cb
y
và
y
. Tính được giá trị
yy

cb

1
, xây dựng đồ thị quan
hệ giữa
yy
cb

1
và
y
( hình V.1). Giá trị
y
m chính là diện tích giới hạn bởi đường
cong, trục hoành và các đường
w
yy  ;
p
yy  .
- Kết quả được tổng hợp dưới bảng sau:

y

cb
y yy
cb

yy
cb


1

0,010 0,028 0,018 55,555
0,148 0,134 0,092 10,869
0,301 0,423 0,122 8,196
0,454 0,544 0,898 11,136
0,537 0,597 0,659 15,174
0,546 0,607 0,607 16.474
0,574 0,645 0,709 14,104
0,644 0,726 0,822 12,165
0,714 0,791 0,770 12,987
0,784 0,848 0,645 15,504
0,854 0,901 0,470 21,276
0,924 0,95 0,026 38,461
0,980 0,990 0,010 100,000

- Biểu diễn trên đồ thị quan hệ giữa
yy
cb

1
và
y
như sau:

15

yy
cb

1

0
y


w
y

F
y

p
y


Hình VI.1. Quan hệ giữa
yy
cb

1
và
y

Từ đồ thị hình VI.1 ta xác định được:
+ Số đơn vị chuyển khối đoạn luyện:





p
y
y
cb
l
y
yy
dy
m
8,18
+ Số đơn vị chuyển khối đoạn chưng:




f
w
y
y
cb
c
y
yy

dy
m 6,48
VI.2 Xác định chiều cao của 1 đơn vị chuyển khố
Chiều cao của 1 đơn vị chuyển khối được xác định như sau:

21
h
G
mG
hh
x
y
dv

, m [II-177]
Trong đó:

1
h : Chiều cao của 1 đơn vị chưyển khối đối với pha hơi, m;

2
h : Chiều cao của 1 đơn vị chuyển khối đối với pha lỏng, m;

y
G : Lưu lượng pha hơi, kg/s;

x
G : Lưu lượng pha lỏng, kg/s;

m

: Giá trị tg của góc nghiêng đường cân bằng tạo với mặt phẳng ngang;

3/225,0
1
Pr.Re
yy
d
d
a
V
h

 , m; [II-177]

16

5,025,0
3/2
2
Pr.Re.256
yy
x
x
h












, m; [II-177]
Với:

a
: Hệ số phụ thuộc vào dạng đệm, đối với đệm vòng a = 0,123;

Vd
: Thể tích tự do của đệm, m
3
/m
3
;

d

: Bề mặt riêng của đệm, m
2
/m
3
;


: Hệ số thấm ướt của đệm;

x


: Khối lượng riêng của lỏng, kg/m
3


x

: Độ nhớt của pha lỏng, Ns/m
2
;
Re
x
, Re
y
: Chuẩn số Reynon của pha lỏng và pha hơi;
Pr
z
, Pr
y
: Chuẩn số Pran của pha lỏng và pha hơi;
VI.2.1. Xác định giá trị m
Để xác định giá trị hệ số phân bố m ta chia đường cân bằng ra làm nhiều đoạn
và tìm giá trị tg góc nghiêng của những đoạn đã chia, khi đó m được xác định theo
công thức:

i
mmm
m
i




21
[II-168]
Trong đó:

1
m
,
2
m
,
i
m
: Giá trị tg góc nghiêng tương ứng với những đoạn khác nhau trên
đường cân bằng;
i: Số đoạn được chia (i = 3 – 6)
Từ hình VI.2.1 cho ta các giá trị góc m như sau:
51,0
11


tgm

55,0
22


tgm

80,0
33


tgm
18,1
44


tgm

67,1
55


tgm

36,2
66


tgm
Vậy ta có:
Đoạn luyện:
62,0
3
80,055,051,0
3
321






mmm
m
l

Đoan chưng:
72,1
3
36,267,113,1
3
654





mmm
m
c

VI.2.2 Xác định hệ số thấm ướt

17
Hệ số thấm ướt

phụ thuộc vào tỉ số giữa mật độ tưới thực tế lên tiết diện
ngang của tháp và mật độ tưới thích hợp.

Mật độ tưới thực tế:

t
x
tt
F
V
U 
, m
3
/m
2
h;
Mật độ tưới thích hợp:

dth
BU

. , m
3
/m
2
h;

x
V : Lưu lượng thể tích chất lỏng, m
3
/h;

t

F : Diện tích mặt cắt ngang của tháp; m
2
;

B
: Hắng số, đối với chưng luyện lấy giá trị
B
= 0,065.
Ta có:

dth
BU

. = 0,065.135 = 8,77 m
3
/m
2
h
54,1
4
4,1.14,3
4
22

D
F
t

m
2

- Đoạn luyện:
134283600.73,3 
l
x
G kg/h

16,10
1322
13428

l
x
l
x
l
G
V

m
3
/h

60,6
54,1
16,10

t
l
x

l
tt
F
V
U
m
3
/m
2
h

75,0
77,8
6,6

l
th
l
tt
U
U

Dựa vào đồ thị hình IX.16[II-178] ta xác định được

= 0,75
- Đoạn chưng:

183963600.11,5 
c
y

G
kg/h

64,12
1455
18396

c
x
c
x
c
x
G
V

m
3
/h

21,8
54,1
64,12

t
c
x
c
tt
F

V
U
m
3
/m
2
h

94,0
77,8
21,8

c
th
c
tt
U
U

Dựa vào đồ thị hình IX.16[II-178] ta xác định được

= 0,96.
VI.2.3.Xác định chiều cao của 1 đơn vị chuyển khối ở đoạn luyện
 Xác định chuẩn số Reynon:
- Chuẩn số Reynon pha hơi:

18

d
l

y
l
s
l
y
l
y


4,0
Re  [II-178]
Với:
80,3
l
y

kg/m
3

32,1
l
s

m/s

3
10.328,0


l

y

Ns/m
2


135
d

m
2
/m
3

=> 31,45
135.10.328,0
32,1.80,3.4,0
Re
3


l
y

- Chuẩn số Reynon pha lỏng:

xdt
l
x
l

x
F
G

04,0
Re  [II-178]
Với:
73,3
l
x
G kg/s

54,1
t
F
m
2


3
10.35,0


c
x

Ns/m
2
135
d


m
2
/m
3

=> 05,2
135.10.35,0.54,1
73,3.04,0
Re
3


l
x

 Xác định chuẩn số Pran đoạn luyện
- Chuẩn số Pran pha hơi:

l
y
l
y
l
y
l
y
D



Pr [II-178]
Trong đó:

3
10.328,0


l
y

Ns/m
2
;
8,3
l
y

kg/m
3
;

l
y
D : Hệ số khuyếch tán pha hơi đoạn, m
2
/s;

42
42
11

.10.0043,0
3
1
3
1
5,14
CClCS
cclcs
l
l
y
MM
VVP
T
D 









, m
2
/s [II-127]

l
T : Nhiệt độ trung bình của đoạn luyện, K

l
T
= 273 + 53,45 = 326,45 K

P
= 1,03 at;

4
2
,
CCl
CS
MM : Khối lượng phân tử của CS
2
, CCl
4


19

2
CS
M = 76;
4
CCl
M = 154;

42
,

CClCS
VV : Thể tích mol của CS
2
, CCl
4
, m
3
/mol;

666,25.28,14
2

CS
V
cm
3
/mol;

20,1136,24.48,14
4

CCl
V
cm
3
/mol;

6
3
1

3
1
5,14
10.51,4
154
1
76
1
20,1136603,1
45,326.10.0043,0











l
y
D , m
2
/s
14,19
10.51,4.8,3
10.328,0
Pr

6
3



l
y

- Chuẩn số Pran pha lỏng:

l
y
l
x
l
y
l
x
D.
Pr



Trong đó:

3
10.35,0


l

y

, Ns/m
2
;

1322
l
y

kg/m
2
;

l
x
D
: Hệ số khuyếch tán pha lỏng đoạn luyện, m
2
/s;





201
0

l
l

x
tbDD , m
2
/s [II - 134]
;45,53
0
Ct
l


3
20
20
4
4
2,0
CCl
CCl
b



97,0
20
4

CCl

cP;
1594

20
4

CCL

kg/m
3
;

3
3
10.86,16
1594
97,0

b

20
D : Hệ số khuyếch tán pha lỏng đoạn ở 20
0
C, m
2
/s;

2
3
1
3
1
.

20
6
20
424
42
11
.10.1










CClCS
BA
xCCl
CClCS
VV
MM
D

, m
2
/s [II - 133]
BA, : Hệ số liên hợp,
A

= 1;
B
= 0,94;

8
94,0.1
3
20
10.62,1
97,0
154
1
76
1
10.1




D , m
2
/





838
10.53,22045,5310.86,16110.62,1



l
x
D

20
45,10
10.53,2.1322
10.35,0
Pr
8
3



l
x

Vậy:

   
16,110.14,19.31,45.
135.75,0.123,0
78,0
Pr.Re
3
2
25,0
3/225,0
1


l
y
l
y
d
d
l
a
V
h

m

   
5,025,0
3
2
3
5,025,0
3/2
2
45,10.05,2.
1322
10.35,0
256Pr.Re.256




















l
x
l
x
x
x
l
h



= 0,041m

19,1041,0.
73,3

28,5.625,0
16,1
21

l
l
x
l
yl
ll
dv
h
G
Gm
hh
m
VI.2.4 Xác định chiều cao của 1 đơn vị chuyển khối ở đoạn chưng
 Xác định chuẩn số Reynon:
- Chuẩn số Reynon pha hơi:

d
c
y
c
s
c
y
c
y



4,0
Re  [II-178]
Với:
98,4
c
y

kg/m
3


18,1
c
s

m/s


3
10.439,0


c
y

Ns/m
2

135
d

m
2
/m
3

=> 65,44
135.10.439,0
18,1.98,4.4,0
Re
3


c
y

- Chuẩn số Reynon pha lỏng:

xdt
c
x
c
x
F
G

04,0
Re  [II-178]

Với:
11,5
c
x
G kg/s

54,1
t
F
m
2


3
10.465,0


c
x

Ns/m
2
135
d

m
2
/m
3

=> 11,2
135.10.465,0.54,1
11,5.04,0
Re
3


c
x

 Xác định chuẩn số Pran đoạn chưng
- Chuẩn số Pran pha hơi:

21

c
y
c
y
c
y
c
y
D


Pr [II-178]
Trong đó:

3

10.439,0


c
y

Ns/m
2
;
80,3
c
y

kg/m
3
;

c
y
D : Hệ số khuyếch tán pha hơi đoạn, m
2
/s;

42
42
11
.10.0043,0
2
3
1

3
1
5,14
CClCS
cclcs
c
c
y
MM
VVP
T
D 









, m
2
/s [II-127]

c
T
: Nhiệt độ trung bình của đoạn luyện, K

c

T = 273 +68,18 = 341,18 K

6
3
1
3
1
5,14
10.82,4
154
1
76
1
20,1136603,1
18,341.10.0043,0











c
y
D , m
2

/s
23,18
10.82,4.98,4
10.439,0
Pr
6
3



c
y

- Chuẩn số Pran pha lỏng:

c
y
c
x
c
y
c
x
D.
Pr



Trong đó:

3
10.465,0


c
y

, Ns/m
2
;
1455
c
y

kg/m
2
;

c
x
D : Hệ số khuyếch tán pha lỏng đoạn chưng, m
2
/s;





201
0


c
c
x
tbDD
, m
2
/s [II - 134]

;18,68
0
Ct
c



8
20
10.62,1

D , m
2
/s





838
10.94,22018,6810.86,16110.62,1



c
x
D , m
2
/s
28,10
10.94,2.1455
10.439,0
Pr
8
3



c
x

Vậy:

   
88,010.23,18.65,44.
135.96,0.123,0
78,0
Pr.Re
3
2
25,0
3/225,0

1

c
y
c
y
d
d
c
a
V
h



   
5,025,0
3
2
3
5,025,0
3/2
2
28,10.11,2.
1455
10.465,0
256Pr.Re.256




















c
x
c
x
x
x
c
h



= 0,46m

22

00,1046,0.
11,5
24,7.
17,116,1
21

c
c
x
c
yc
cc
dv
h
G
Gm
hh
m
VI.2.5.Chiều cao toàn tháp
Chiều cao làm việc của đoạn luyện:

l
H =
77,919,1.18,8 
l
y
l
dv

mh
m
Chiều cao làm việc của đoạn chưng:

c
H
=
49,6002,1.48,6 
c
y
c
dv
mh
m
Chiều cao đệm của tháp của tháp:

clt
HHH  = 9,77 + 6,49 = 16,26m
Chiều cao đệm đoạn luyện của tháp là 9,77 do đó:
98,6
4,1
77,9

d
H
l
> 5 nên ta chia đoạn làm 2 ngăn.khoảng cách giữa hai
ngăn là 0.9 m.
Khoảng cách từ đỉnh tháp đến lớp đệm đoạn luyện là 0.9 m.
Khoảng cách từ đáy tháp đến lớp đệm đoạn chưng là 0.9m.

khoảng cách giữa lớp đệm đoạn chưng và đoạn luyện là 1m.
Vậy chiều cao của tháp là:

96.1919.0.3 
cl
HHH
m

VII. Tính trở lực của tháp
VII.1. Trở lực đệm khô

2

42
.
2
3
2
yy
d
d
ty
k
V
H
d
H
P







[II - 189]
Trong đó:

t

: Vận tốc thực của khí trong lớp đệm:

d
y
t
V



, m/s


: Hệ số trở lực của đệm(gồm trở lực ma sát và trở lực cục bộ);

y

: Tốc độ của khí tính trên toàn bộ tiết diện tháp(vận tốc làm việc của khí
trong tháp);

d


: Bề mặt riêng của đệm, m
2
/m
3
;

d
V : Thể tích tự do của đệm, m
3
/m
3
.
a/ Đối với đoạn luyện
Chuẩn số Reynon đoạn luyện:

23

38,312
10.328,0.135
8,3.91,0.4
.
4
Re
3

l
yd
l
y
l

y
l
y


[II - 189]
Với:

91,0
l
y

m/s

8,3
l
y

kg/m
3


10.328,0
l
y

-3
Ns/m
2

l
y
Re
> 40 nên số trở lực của đệm được xác định theo công thức:

 
2,0
Re
6,1
l
y


= 5,07
Trở lực đệm khô của đoạn luyện là:

79,5542
2
8,3.91,0
.
78,0
135
.77,9.
4
07,5
2
.
.
4
2

3
2
3

yy
d
dl
l
k
V
H
P



N/m
2
Trở lực đối với 1m đệm khô là:
33,567
77,9
79,5542
0



l
l
k
l
k

H
P
P N/m
2

b/ Đối với đoạn luyện
Chuẩn số Renon đoạn chưng:

43,397
10.349,0.135
98,4.94,0.4
.
4
Re
3

y
cd
c
y
c
y
c
y



Với:
94,0
c

y

m/s
98,4
c
y

kg/m
3

3
10.439,0


c
y

Ns/m
2


c
y
Re > 40 nên trở lực của đệm được xác định:

 
 
83,4
43,397
16

Re
16
2,02,0

c
y
l


Trở lực đệm khô đoạn chưng là:
97,4904
2
98,4.94,0
.
78,0
135
.49,6.
4
83,4
2
.
.
4
2
3
2
3

cc
d

dc
c
k
V
H
P


N/m
2

Trở đối với 1m đệm đoạn chưng là:
77,755
0



c
c
k
c
k
H
P
P N/m
2

VII.2. Trở lực đêm ướt
Trở lực đệm ướt đươc xác định theo công thức sau:

ku
PKP  . , N/m
2
[II - 191]

24

K
: Hệ số đặc trưng cho mật độ tưới.
a/ Trở lực ướt đoạn luyện:
Thông số tưới đoạn luyện
A
:

3
3
2
2
3
g
b
V
G
A
l
d
d
l
x
l

t
l











[II - 191]

l
t
G
: Mật độ tưới đoạn luyện, kg/m
2
s;
44,2
78,0.4,1
73,3
.
22

dl
l
x

l
t
VD
G
G kg/m
2
s [II - 191]

l
b : Hệ số, là hàm của Re:
56,206
10.35,0.135
44,2.4
4
Re
3

l
xd
l
t
l
x
G

[II - 191]

3
10.35,0



l
x

Ns/m
2


 
352,0
56,206
74,1
Re
74,1
3,03,0

l
x
l
b

077,0
81,9.2
352,0
.
78,0
135
.
1322
44,2

.3
3
3
2








l
A

l
A < 0,3 nên hệ số
K
được xác định theo công thức sau:

   
27,1
077,01
1
1
1
33






l
A
K
Vậy:
Trở lực đệm ướt của đoạn luyện là:

34,703979,5542 27,1 
l
u
P
N/m
2

Trở lực đệm ướt đối với 1m đệm đoạn luyện là:
50,720
77,9
34,7039
0



l
l
u
l
u
H
P

P N/m
2

b/ Trở lực ướt đoạn chưng
Thông số tưới đoạn chưng:

3
3
2
2
3
g
b
V
G
A
c
d
d
c
x
c
t
c














c
t
G
: Mật độ tưới đoạn chưng, kg/m
2
s:
34,3
78,0.4,1
11,5
.
22

dd
c
x
c
t
VD
G
G kg/m
2
s

c
b
: Hệ số, là hàm của Re:
98,212
10.465,0.135
34,3.4
4
Re
3

c
xd
c
t
c
x
G

[II - 191]

25

3
10.465,0


c
x

Ns/m

2


 
348,0
98,212
74,1
Re
74,1
3,03,0

c
x
c
b



0896,0
81,9.2
348,0
.
78,0
135
.
1455
34,3
.3
3
3

2








c
A


c
A
< 0,3 nên hệ số
K
được xác định theo công thức sau:

   
325,1
077,01
1
1
1
33






c
A
K

Vậy:
Trở lực đệm ướt của đoạn luyện là:

85,649879,4904.325,1 
c
u
P
N/m
2

Trở lực đệm ướt đối với 1m đệm đoạn chưng là:

36,1001
49,6
85,6498
0



c
c
u
c
u
H

P
P
N/m
2