Báo cáo thực hành tính toán hệ thống và thiết kế thiết bị công nghệ hóa học

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM
KHOA CÔNG NGHỆ HĨA HỌC


BÁO CÁO THỰC HÀNH TÍNH TỐN
HỆ THỐNG VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ
CƠNG NGHỆ HĨA HỌC

GVHD: TS. Phạm Văn Hưng
SVTH: Trịnh Văn Long Vũ
LỚP: DHHD 15
MSSV: 19531911


TP.Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2022

BỘ CƠNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐHCN TP. HỒ CHÍ
MINH

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA
VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI TÍNH TỐN HỆ THỐNG
VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ CƠNG NGHỆ HĨA HỌC
KHOA: CƠNG NGHỆ HỐ HỌC
BỘ MƠN: MÁY & THIẾT BỊ
HỌ VÀ TÊN: TRỊNH VĂN LONG VŨ

MSSV: 19531911 LỚP: DHHD15

1. Tên đề tài: Thiết kế hệ thống tháp mâm xuyên lỗ chưng cất hỗn hợp Acetone
– nước với năng suất nhập liệu 2000 kg/h làm việc ở áp suất thường.
2. Nhiệm vụ đề tài (yêu cầu về nội dung và số liệu ban đầu)
 Số liệu ban đầu:
- Năng suất nhập liệu 2000 kg/h
- nồng độ nhập liệu 34% , sản phẩm đỉnh 90%, sản phẩm đáy 9% theo mol
- Các thông số khác tự chọn
 Nội dung thực hiện:
- Tổng quan về các cấu tử trong hỗn hợp
- Thiết kế quy trình chưng cất
- Thuyết minh quy trình cơng nghệ
- Tính tốn cân bằng vật chất
- Tính tốn cân bằng năng lượng
- Tính tốn thiết kế thiết bị chưng cất
- tính tốn và chọn thiết bị phụ
- Bản vẽ A1 sơ đồ QTCN
- Bản vẽ AI sợ đồ bố trí thiết bị trong nhà xưởng
- Bản vẽ A1 chi tiết thiết bị chính
3. Ngày giao nhiệm vụ đề tài: 04/10/2022


4. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 18/12/2022
5. Họ và tên người hướng dẫn: Th.S Phạm Văn Hưng
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 04 tháng 10 năm 2022
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
(Ký và ghi rõ họ tên)

Trần Hoài Đức

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ tên)

Phạm Văn Hưng


NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
Phần đánh giá:
- Thái độ thực hiện: ..................................................................................................
- Nội dung thực hiện: ..................................................................................................
- Kỹ năng trình bày: ..................................................................................................
- Tổng hợp kết quả: ..................................................................................................
Điểm bằng số:……………. Điểm bằng chữ: ............................................................

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 18 tháng 12 năm 2020
GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ tên)

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
Phần đánh giá:
- Thái độ thực hiện: ..................................................................................................
- Nội dung thực hiện: ..................................................................................................
- Kỹ năng trình bày: ..................................................................................................
- Tổng hợp kết quả: ..................................................................................................
Điểm bằng số:……………. Điểm bằng chữ: ............................................................

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 18 tháng 12 năm 2020
GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN
(Ký và ghi rõ họ tên)


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, em xin gởi lời cảm ơn đến Thầy Phạm Văn Hưng đã tạo điều
kiện cho em tiếp cận với các trang thiết bị máy móc. Qua đó, em được mở rộng
kiến thfíc của mình và có cơ sở để hồn thành tốt bài báo cáo.
Đề tài của em là “Thiết kế hệ thống tháp mâm xuyên lỗ chưng cất hỗn hợp

Acetone”, đây là một đề tài mang tính fíng dụng rất cao khi nền cơng nghiệp ngày
càng phát triển lớn mạnh như hiện nay. Vì vậy, chúng ta cần phải thiết kế và cải tiến
hệ thống hấp thụ khí phù hợp và đạt hiệu suất cao.
Sau một thời gian tìm hiểu, nghiên cfíu và sự giúp đỡ của Thầy, em đã hoàn
thành bài báo cáo này. Tuy nhiên, do vốn kiến thfíc và kỹ năng sfí dụng phần
mềm autocad cịn hạn chế nên khơng thể tránh khỏi những sai sót. Em rất mong
nhận được sự góp ý từ Thầy để em có thể hiểu rõ vấn đề để hoàn thiện bài báo
cáo tốt hơn.
Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của Thầy
Phạm Văn Hưng cùng sự giải đáp thắc mắc của q thầy cơ trong khoa Cơng
nghệ Hóa Học trường đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh.
Em xin chân thành cảm ơn!


MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU..........................................................................................................9
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN..................................................................................10
1.

2.

Lý thuyết về chưng cất.............................................................................10
1.1.

Các phương pháp chưng cất..............................................................10

1.2.

Thiết bị chưng cất..............................................................................11

Giới thiệu về ngun liệu chưng cất.........................................................12
2.1.

Acetone..............................................................................................13

2.1.2. Tính chất hóa học của acetone..........................................................13
2.2.

Nước..................................................................................................15

2.3.

Hỗn hợp acetone và nước..................................................................16

CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ...........................................................17
CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG......18
3.

Các thơng số ban đầu...............................................................................18
3.1.

Cân bằng vật chất..............................................................................18

3.2.

Cân bằng năng lượng:........................................................................23

CHƯƠNG 4: THIẾT BỊ CHÍNH...........................................................................31
4.

Đường kính tháp.......................................................................................31
4.2.

Phần chưng........................................................................................38

4.3.

Trở lực của tháp.................................................................................41

4.4.

Tổng trở lực phần cất.........................................................................41

4.5.

Tổng trở lực phần chưng...................................................................44

4.6.

Tổng áp suất tính tốn.......................................................................47

4.7.

Tính chi tiết ống dẫn..........................................................................47


CHƯƠNG 5: TÍNH TỐN CƠ KHÍ.....................................................................51
5.

Tính tốn..................................................................................................51

5.1.

Bề dày thân trụ của tháp....................................................................51

5.2.

Tính tốn bề dày thân trụ của tháp....................................................51

5.3.

Kiểm tra ứng suất..............................................................................53

5.4.

Đáy và nắp thiết bị.............................................................................53

5.5.

Kiểm tra ứng suất..............................................................................55

5.6.

Mặt bích.............................................................................................55

5.7.

Bích để nối thân và đáy (nắp) thiết bị................................................55

5.8.

Mặt bích nối các bộ phận của thiết bị................................................56

5.9.

Tay treo-chân đỡ................................................................................57

TÀI LIỆU THAM KHẢO.....................................................................................59


LỜI MỞ ĐẦU
Một trong những lĩnh vực đóng vai trị quan trọng trong sự phát triển các ngành
công nghiệp của nước ta là ngành cơng nghệ hóa chất. Cùng với sự phát triển của sản
xuất hàng hóa thì khơng thể khơng đề cập đến sản xuất hóa chất cơ bản có độ tinh
khiết cao. Một trong những phương pháp có thể tinh chế hóa chất để đạt đến độ tinh
khiết phù hợp với yêu cầu sản xuất là phương pháp chưng cất lỏng – lỏng hoặc chưng
cất hỗn hợp lỏng – khí thành các cấu tử riêng biệt, dựa vào độ bay hơi khác nhau của
chúng.
Acetone là một hóa chất được ứng dụng phổ rộng rãi trong các lĩnh vực sản xuất
và do hỗn hợp Acetone và nước khơng có điểm đẳng phí nên có thể đạt được bất kì
độ tinh khiết nào theo yêu cầu nhờ quá trình chưng cất.
Trong đồ án này, em xin trình bày phương pháp sfí dụng Thiết kế hệ thống tháp
mâm xuyên lỗ chưng cất hỗn hợp Acetone – nước làm việc ở áp suất thường.
Bài báo cáo gồm 6 phần:
Phần 1: Tổng quan
Phần 2: Quy trình cơng nghệ
Phần 3: Cân bằng vật chất
Phần 4: Cân bằng năng lượng
Phần 5: Tính tốn thiệt bị chính
Phần 6: Tính tốn cơ khí
Em xin chân thành cảm ơn Thầy Phạm Văn Hưng, các thầy cô bộ môn Máy &

Thiết bị đã tận tình hướng dẫn và tạo điều kiện thuận lợi cho em hồn thành tốt mơn
học này.


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
1.

Lý thuyết về chưng cất

Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng – lỏng (cũng
như hỗn hợp khí – lỏng) thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau
cùa các cấu tử trong hỗn hợp ở cùng điều kiện xác định.
Thay vì đưa vào trong hỗn hợp một pha mới để tạo nên sự tiếp xúc giữa hai pha
như trong quá trình hấp thu hoặc nhả khí, trong q trình chưng cất pha mới được
tạo nên bằng sự bốc hơi hoặc ngưng tụ.
Trong trường hợp đơn giản nhất, chưng cất và cô đặc không khác gì nhau, tuy
nhiên giữa hai q trình này có một ranh giới cơ bản là trong quá trình chưng cất
dung môi và chất tan đều bay hơi (nghĩa là các cấu tử đều hiện diện trong cà hai pha
nhưng với tỷ lệ khác nhau), cịn trong q trình cơ đặc thì chỉ có dung mơi bay hơi cịn
chất tan thì không bay hơi.
Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường thì hệ có bao nhiêu cấu tử sẽ
thu được bấy nhiêu sản phẩm. Nếu xét hệ đơn giản chỉ có 2 cấu tử thì ta thu được
2 sản phẩm, gồm:
-

Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần rất ít
các cấu tử có độ bay hơi bé (nhiệt độ sơi nhỏ ).

-

Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi bé và một phần rất ít cấu tử
có độ bay hơi lớn (nhiệt độ sơi lớn).

Như vậy, khi chưng cất hỗn hợp acetone và nước thì ta sẽ thu được sản phẩm đỉnh
là acetone và sản phẩm đáy là nước.
1.1.

Các phương pháp chưng cất

Phân loại theo áp suất làm việc
- Áp suất thấp
- Áp suất thường
- Áp suất cao
Phân loại theo thành phần chưng cất


- Chưng cất hai cấu tử
- Chưng cất đa cấu tử
Phân loại theo phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp
- Cấp nhiệt trực tiếp
- Cấp nhiệt gián tiếp
Phân loại theo nguyên lý làm việc
- Chưng cất lôi cuốn hơi nước
Phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước (chưng cất bằng hơi nước trực tiếp)
được dùng để tách các hỗn hợp gồm các chất khó bay hơi và tạp chất khơng bay
hơi, thường được dùng để tách các chất khơng hịa tan vào nước (thường dùng để
chưng cất tinh dầu có nhiệt độ sôi cao hơn nhiệt độ sôi của nước và ít tan trong
nước).
- Chưng cất chân khơng:
Phương pháp này được dùng trong trường hợp cần hạ thấp nhiệt độ sơi của

cấu tử . Đối với cấu tử có nhiệt độ sôi quá cao hay trường hợp các cấu tử trong
hỗn hợp dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao.
- Chưng cất theo chu kỳ (chưng cất gián đoạn)
Phương pháp chưng cất gián đoạn được s dụng trong các điều kiện sau:
 Khi nhiệt độ của các cấu t khác xa nhau
 Khơng địi hỏi độ tinh khiết cao
 Tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi
 Tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử
- Chưng cất liên tục
Chưng cất liên tục sử dụng thiết bị liên tục, là q trình được thực hiện liên tục,
nghịch dịng, gồm nhiều đoạn.Ngồi ra cịn có thiết bị hoạt động bán liên tục.
Như vậy, dựa vào yêu cầu Acetone có độ tinh khiết cao (90%) và hỗn hợp
acetone – nước khơng có điểm đẳng phí nên chọn phương pháp chưng cất liên
tục là hiệu quả nhất.
1.2.

Thiết bị chưng cất

Trong sản xuất 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 là diện tích bề
mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều này phụ thuộc vào mức độ phân tán của một lưu
chất này vào lưu chất kia. Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta có các loại tháp
mâm, nếu pha lỏng phân tán vào pha khí thì ta có tháp chêm., tháp phun,… Trong
đó hai loại tháp thường dùng là tháp mâm và tháp chêm..


- Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có
cấu tạo khác nhau, trên đó pha lỏng và pha hơi được cho tiếp xúc với
nhau. Tuỳ theo cấu tạo của đĩa, ta có:
 Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh

 Tháp mâm chóp: trên mâm bố trí có chóp dạng trịn, xupap, chữ S….
-

Tháp chêm (tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối tiếp nhau bằng
mặt bích hay hàn.Vật chêm được cho vào tháp theo một trong hai
phương pháp sau: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự.
Bảng 1. 1. Bảng so sánh ưu và nhược điểm của tháp chêm, tháp
mâm xuyên lỗ và tháp mâm chóp
Tháp chêm

Tháp mâm xuyên

Tháp mâm chóp

lỗ
Ưu điểm

- Cấu tạo khá đơn giản.

- Trở lực tương đối

- Khá ổn định

- Trở lực thấp.

thấp

- Hiệu suất cao

- Làm việc được với

- Hiệu suất khá cao

chất lỏng bẩn.
Nhược điểm

- Do có hiệu ứng thành

- Khơng làm việc

- Có trở lực lớn

nên hiệu suất truyền khối

được với chất lỏng

- Tiêu tốn nhiều vật

thấp.

bẩn

tư, kết cấu phức tạp

- Độ ổn định thấp,

- Kết cấu khá phức

khó vận hành

tạp

- Khó tăng năng suất
- Thiết bị khá nặng nề
2.

Giới thiệu về nguyên liệu chưng cất

Nguyên liệu dùng để chưng cất là hỗn hợp Acetone và nước, tính chất hóa lý và
đặc điểm của nguyên liệu ảnh hưởng rất lớn đến việc chọn lựa thiết bị và hiệu suất
của quá trình chưng cất.


2.1.

Acetone
2.1.1.

Tính chất vật lý và nhiệt động của acetone

Acetone là một chất lỏng dễ bay hơi, dễ cháy, không màu, có mùi thơm nhẹ
thanh và là dạng keton đơn giản nhất. Nó hịa tan vơ hạn trong nước và một số hợp
chất hữu cơ (như eter, methanol, ethanol, diacetone alcohol...).
Acetone có một số đặc điểm sau:
-

Cơng thức phân tử : (CH3)2CO

-

Khối lượng phân tử : MA= 58,08 đvC

-

Tên gọi khác: Dimethylketal; 2–Propanone; Dimethyl ketone

Ứng dụng của acetone phổ biến nhất là dùng làm dùng làm dung môi trong
công nghiệp như: vecni, sơn, sơn mài, cellulose acetate, nhựa, cao su... Acetone
được dùng làm dung mơi do nó hịa tan tốt acetate, nitrocellulose, nhựa
foocmandehyde, chất béo và được dùng nhiều làm dung mơi sơn, mựa in ống
đồng. Ngồi ra, acetone cịn là nguyên liệu để tổng hợp thủy tinh hữu cơ. Một số
hợp chất được tổng hợp từ acetone như: ceten, sulfonate (thuốc ngủ ), các
holoform
Bảng 1. 2 Một số tính chất của acetone
1
2
3
4
5
6
7

Nhiệt độ nóng chảy
Nhiệt độ sơi
Nhiệt độ tự bốc cháy
Khối lượng riêng ở 20oC
Độ nhớt ở 20oC
Nhiệt dung riêng ở 20oC
Nhiệt trị
2.1.2.

-

– 94,6
56,2
465
791
0,3075
2180
23,42

oC
oC
oC

kg/m3
cp
J/Kg
Kcal/kg

Tính chất hóa học của acetone

Phản ứng cộng của nhóm C=O

Trong liên kết C=O này cacbon mang điện tích dương (+) do liên kết C=O phân
cực về phía O nên acetone có thể cộng với nhiều các tác nhân nucleophin khác
nhau như: H–OH, RO–H, H–CN, R– MgBr, …
-

Phản ứng cộng nước tạo thành rượu bậc 2

-

Phản ứng cộng natrihydrosulfide tạo hợp chất bisulfide

-

Phản ứng cộng hợp với hợp chất cơ Magie


-

Phản ứng thế tạo liên kết C=C (phản ứng andol hóa)

Khi có mặt chất xúc tác là bazo, phân tử acetone có thể tác dụng với phân tử
khác có nhóm –CH2– linh động như –CH2– bên cạnh nhóm hút e như C=O,
NO2...
-

Phản ứng oxi hóa

-

Phản ứng khử

-

Phản ứng thế methyl
2.1.3.

Sản xuất acetone

Acetone được tìm thấy đầu tiên bởi Labavius (1595) bằng cách chưng cất khan
đường, đến năm 1805 Trommdorff tiến hành sản xuất acetone bằng cách chưng
cất acetate của bồ đạt và soda (một phân đoạn lỏng nằm giữa phân đoạn rượu và
eter).
Ca(CH3COO)2 → CaO + CO2↑ + (CH3)2CO
Ngày nay, khoảng 83% aceton được sản xuất thông qua phương pháp oxi hóa
Cumen (phương pháp Hock), phương pháp này được sử dụng chủ yếu để sản
xuất acetone ở Mỹ và các nước Tây Âu, khi sản xuất aceton từ phương pháp
này ln thì cũng đồng thời sản xuất được phenol đi kèm. Phương pháp Cumen
gồm các bước: alkyl hoá benzen với propen, sinh ra cumen, được oxi hoá, sinh
ra axeton và phenol.
Tuy nhiên, công nghệ sản xuất acetone thông qua oxi hóa cumen được
thaybằng cơng nghệ hiệu quả hơn khi tổng hợp acetone bằng phương pháp tách
nước của isopropyl alcol có sử dụng xúc tác. Xúc tác được dùng là đồng và hợp
kim của đồng, oxit kim loại và muối của nó. Ở nhiệt độ 327oC hiệu suất tổng
hợp của phản ứng khoảng 97%.
Ngồi ra cịn một số q trình sản xuất acetone khác như:
-

Oxi hóa cumen hydro peroxide thành phenol và acetone

-

Oxi hóa trực tiếp butane và propane

-

Lên men carbonhydrate bởi vi khuẩn đặc biệt

2.2.

Nước
2.2.1.

Tính chất vật lý của nước

Trong điều kiện bình thường: nước là chất lỏng không màu, không mùi,
không vị nhưng khối nước dày sẽ có màu xanh nhạt.
Khi hóa rắn nó có thể tồn tại ở dạng 5 dạng tinh thể khác nhau:
-

Khối lượng phân t : MN = 18 đvC

-

Công thức phân t : H2O

-

Khối lượng riêng ở 4oC: 1 g/ml

-

Nhiệt độ nóng chảy: 0oC

-

Nhiệt độ sơi: 100oC

Nước là dung mơi phân cực mạnh, có khả năng hồ tan nhiều chất (rắn, lỏng
và khí) và là dung mơi rất quan trọng trong các l nh vực hóa học.
2.2.2.

-

Tính chất hóa học của nước

Tác dụng với kim loại
H2O + Na → NaOH + H2
2H2O + Ca → Ca(OH)2 + H2

Nước tác dụng được với một số kim loại ở nhiệt độ thường như: Li, Na,
K, Ca.. tạo thành bazo và khí H2.
-

Tác dụng với oxit bazơ
Na2O + H2O → 2NaOH
CaO + H2O → Ca(OH)2

Nước tác dụng với oxit bazo tạo thành bazo tương ứng. Dung dịc bazo làm
quỳ tím hóa xanh.
-

Tác dụng với oxit acid
SO2 + H2O → H2SO3
P2O5 + 3H2O → 2H3PO4

Nước tác dụng với oxit axit tạo thành axit tương ứng. Dung dịch axit làm qu
tím hóa đỏ.


2.3.

Hỗn hợp acetone và nước

Sự phân bố của cấu tử dễ bay hơi (acetone) trong pha lỏng và pha hơi thay
đổi theo nhiệt độ sôi của hỗn hợp chưng cất.
Bảng 1.3. Thành phần lỏng (x) – hơi (y) tính bằng phần trăm phần mol
(% mol) và nhiệt độ sôi (oC) của hỗn hợp acetone – nước ở 76 mmHg
x

0

y

0

t

100

5

10

20

30

40

50

60

70

80
90,
60,3 72,0 80,3 82,3 84,2 85,5 86,9 88,2 4
58,
77,9 69,6 64,5 62,6 61,6 60,7 59,8 59,0 2

90
94,
3
57,
5

Hình 1. 1 Đồ thị cân bằng lỏng – hơi của hệ acetone – nước

100
100
61,
6

CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ

Hỗn hợp acetone – nước sẽ được bơm ly tâm P-101A/B bơm lên từ bồn chứa đi
qua thiết bị gia thiệt E-101 để tiền gia nhiệt cho dòng lỏng đầu vào trước khi đi vaod
tháp chưng cất T-101. Sau khi hỗn hợp được đưa vào tháp sẽ được trộn lẫn với dịng
lỏng được hồn lưu đi từ trên xuống và tiếp tục quá trình chưng cất. Quá trình chưng
cất diễn ra liên tục trong tháp và dòng lỏng sẽ được đi ra từ đáy thiết bị để đi vào nồi
sơi lại, sau đó một phần được đưa trở lại tháp, phần còn lại sẽ đi ra ngoài và được làm
lạnh tại thiết bị E-105 cuối cùng sẽ được chứa tại bồn chứa V-104. Cùng lúc đó dịng
hơi sẽ đi ra từ đỉnh tháp đi vào thiết thị ngưng tụ, dòng lỏng sau khi ngưng tụ được
chứa tại bồn chứa tạm V-102, sau đó dịng lỏng sẽ được hồn lưu một phần trở lại
tháp, phần cịn lại sẽ được qua thiết bị làm lạnh E-103 để làm nguội dung dịch. Cuối
cùng sản phẩm được chứa tại bồn chứa V-103.


CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN CÂN BẰNG VẬT CHẤT
VÀ NĂNG LƯỢNG
3.

Các thông số ban đầu

+ Năng suất nhập liệu:vf = 2000 kg/h
+ Nồng độ nhập liệu: xF = 34% theo mol
+ Nồng độ sản phẩm đỉnh:xD = 90% theo mol
+ Nồng độ sản phẩm đáy: xW = 9% theo mol
Các ký hiệu:
- GF, F: suất lượng nhập liệu tính theo kg/h, kmol/h
- GP, D: suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo kg/h, kmol/h
- GW, W: suất lượng sản phẩm đáy tính theo kg/h, kmol/h
- L: suất lượng dịng hồn lưu, kmol/h

- xi, 𝑥̅𝑖 : nồng độ phần mol, phần khối lượng của cấu tử i.
3.1.

Cân bằng vật chất

Nồng độ khối lượng của aceton trong tháp
xF × M A
x F = x F ×M A +(1−x ¿¿ ) ×M ¿
N
FA
A

A

xF

A

=

A

0.34 × 58

=0.624 ( phần khốilượng Acetone )
0.34 × 58+(1−0.34) ×18
xF =1−x A=1−0.624=0.376 ( phần khối lượng nước)
N

XD =

A

xD × M A
xD × M A +(1− xD ) ×M N
A

A

xD

A

=

0.9 ×58
0.9 ×58+(1−0.9) ×18

A

=0.96 ( phần khối lượng Acetone )


xW =

A

=

A

A

A

A

xW

xW × M A
xW × M A +(1−xW )× M N

0.09 × 58
0.09× 58+(1−0.09)×18

=0.24( phần khối lượng Acetone)

Khối lượng phân tử trung bình dịng nhập liệu:
+ Với xF = 0.34 ( tra bảng IX.2a [2] trang 145) ta có: t = 62.2℃
+ Tại t = 62.2℃ ( tra bảng I.2 [1] trang 9) ta có:
ρ A =743.03
ρN=981.79
xF
x ( tra bảng I.2 trang 5 [1] )
1
=
+
ρhh ρ
ρN
A

FN

A

ρhh=817.8
M F =M A × x F + ( 1−x F
A

A

)

×M N

kg
M F=58 ×0.34 +(1−0.34 )× 18=31.6 (
)
kmol
Suy ra: F=

GF
MF

=

2000
31.6

=63.3(

kmol
h

)

Suất lượng sản phẩm đỉnh và đáy
Ta có
+ Cân bằng vật chất cho tồn tháp F=P+W

(1)

+ Cân bằng cấu tử Acetone ( cấu tử nhẹ ) F ×x F =D × xP +W ×x W
A

Từ (1) và (2) ta có:

D +W =63.3

{0.9 × P+0.09 ×W =0.34 ×F

→

A

{WD=19.537
=43.463

Khối lượng phân tử trung bình dịng sản phẩm đáy và đỉnh là:
M W =M A × xW +(1−xw )× M N
kh

M w=58 × 0.09+ (1−0.09) ×18=21.6(
)
kmol
M P =M A ×D +( 1−x D ) × M N

A

(2)


M D=58 ×0.9+ (1−0.9) ×18=54(
GW

Suy ra:

G D =M
D

kg
kmol

=M w ×W =21.6 × 43.463=938.8(

kg
h

)

)

kg
× D=54 × 19.537=1054.998 (
)
h

Xác định chỉ số hồn lưu
Bảng 3.1.1. thành phần lỏng(x)- hơi(y) tính bằng phần trăm phần mol (%
mol) và nhiệt độ sôi (oC) của hỗn hợp Acetone- nước ở 760mmHg
X
Y
t

0
0
100

5
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
60.3 72.0 80.3 82.3 84.2 85.5 86.9 88.2 90.4 94.3 100
77.9 69.6 64.5 62.6 61.6 60.7 59.8 59.0 58.2 57.5 61.6

Ta có: x =0.34=¿ y¿F =0.8306
F
A

A

Chỉ số hoàn lưu tối thiểu RMin (IX.24 trang 158 [2] )
x − y¿
Rmin =

PA

FA

y F −x F
¿

A

A

=

0.9−0.8306 =0.13
0.8306−0.34

Rmin

b

R

Số mâm lý thuyết

0.13

1.4

0.19

6.5

0.13

1.6

0.22

5.75

0.13

1.8

0.24

4.9

0.13

2

0.27

4.6

0.13

2.2

0.3

4.5

0.13

2.3

0.32

4.25