Thiết kế hệ thống chưng cất benzen tuluen bằng tháp chóp

r
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH
KHOA
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA
VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh
phúc
Thành phô" Hồ Chí Minh Khoa: Công nghệ Hóa & Thực phẩm Bộ môn:
Quá trình và Thiết bị
ĐO AN
MÔN HỌC: ĐỒ ÁN MÔN HỌC QT&TB. MÃ số: 605040
Họ và tên sinh viên: Vũ Tiến Dũng Lớp: HC06MB
Ngành (nếu có): Máy & Thiết BỊ Đầu đề đồ án: Thiết kế tháp mâm chóp chưng
cất hỗn hợp Benzen - Toluen có năng suất 200 1/h tính theo sản phẩm đỉnh Nhiệm vụ
(nội dung yêu cầu và sô" liệu ban đầu):
Nồng độ nhập liệu: *F = 40%phần khôi lượng
Nồng độ sản phẩm đỉnh: Ã'D = 98% phần khôi lượng
Nồng độ sản phẩm đáy: *w = 1 % phần khôi lượng
Nguồn năng lượng và các thông sô" khác tự chọn Nội
dung các phần thuyết minh và tính toán:
Xem ở phần mục lục
Các bản vẽ và đồ thị (loại và kích thước bản vẽ):
Gồm 2 bản vẽ AI: bản vẽ quy trình công nghệ và bản vẽ chi tiết thiết bị Ngày giao
đồ án: 6/10/2009
Ngày hoàn thành đồ án: 18/01/2010
Ngày bảo vệ hay chấm: 25/01/2010
Ngày 6 tháng 10 năm 2009 NGƯỜI HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ
họ tên)
ĐAMH Quá trình & Thiêt bị GVHD : Phan Đình Tuấn
Trang 1
1

.
2
.
3
.
4
.
5
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
(Ký và ghi rõ họ tên)
NHẬN XỂT ĐỒ ÁN
Cán bộ hướng dẫn. Nhận xét:____________________________________________________
Điểm:__________________ Chữ ký:
Cán bộ chấm hay Hội đồng bảo vệ. Nhận xét:________________
Điểm:__________________ Chữ ký:
Điểm tổng kết:
LỜI MỞ 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.
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 : trích ly, chưng cất, cô đặc, hấp thu 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.
Đồ án môn học Quá trình & Thiết bị là một môn học mang tính tống hợp trong
quá trình học tập của các kỹ sư Công nghệ Hoá học tương lai. Môn học này giúp sinh
viên có thể tính toán cụ thể : quy trình công nghệ, kết cấu, giá thành của một thiết bị
trong sản xuất hoá chất - thực phẩm. Đây là lần đầu tiên sinh viên được vận dụng các

kiến thức đã học để giải quyết các vấn đề kỹ thuật thực tế một cách tổng họp.
Nhiệm vụ của đồ án là thiết kế tháp mâm chóp đế chưng cất hỗn họp Benzen -
Toluen ở áp suất thưởng với năng suất theo sản phẩm đỉnh(Benzene) là 200 lít/h có
nổng độ 98% phần khối lượng benzen, nồng độ sản phẩm đáy là 99% khối lượng
Toluene,Nồng độ nhập liệu là 40% khối lượng Benzene, nhập liệu ở trạng thái lỏng sôi.
мат лат • •
I.
Kết luận 54
Tài liệu tham khảo 54
CỉmơngJ_i
TỔNG QUAN
I. LÝ THUYẾT VÈ CHƯNG CẮT :
1. Khái niêm ĩ
- Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của hỗn hợp lỏng cũng như hỗn họp khí lỏng thành
các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp (nghĩa là khi ở
cùng nhiệt độ, áp suất hơi bão hoà của các cấu tử khác nhau).
- Thay vì đưa vào trong hỗn hợp một pha mới đế tạo nên sự tiếp xúc giữa hai pha như trong quá trình
hấp thu hoặc nhả khí, trong quá trình chưng cất pha mới được tạo nên bằng sự bốc hơi hoặc ngưng
tụ.
- Chưng cất và cô đặc khá giống nhau, tuy nhiên sự khác nhau căn bản nhất của 2 quá trình này là
trong quá trình chưng cất 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), còn trong quá trình cô đặc thì chỉ có dung môi bay
hơi còn chất tan không bay hơi.
- Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu được bấy nhiêu sản
pham. Neu xét hệ đơn giản chỉ có 2 cấu tử thì ta sẽ thu được 2 sản phấm :
" 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 phấm đỉnh chủ yếu gồm benzen và một ít toluen.
" Sản phấm đáy chủ yếu là toluen và một ít benzen.

2. Phương pháp chưng cất ĩ
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.
3. Thiết bi chung cất:
Trong sản xuất, người ta thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau đế 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 độphân tán củamột lưu chất này vào
lưu
chất kia. Neu pha khí phân tán vào pha lỏng ta có các loại tháp mâm, nếupha lỏng phân tán
vào pha khí ta có tháp chêm, tháp phun, Ở đây ta khảo sát 2 loại thường dùng là tháp mâm và
tháp chêm.
" Tháp mâm : thân tháp hình trụ, thắng đứng phía trong có gắn các mâm có cấu tạo
khác nhau, trên đó pha lỏng và pha hơi đượ cho tiếp xúc với nhau. Tuỳ theo cấu tạo của đĩa, ta
có :
- Tháp mâm chóp : trên mâm bố trí có chóp dạng tròn, xupap,
- Tháp mâm xuyên lỗ : trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh.
" Tháp chêm (tháp đệm) : tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối với 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.
Vậy :qua phân tích trên ta sử dụng tháp mâm chóp để chưng cất hệ Benzen - Toluen.
II. GĨỚI THIÊU VÈ NGUYÊN LIÊU :
1. Benzen & Toluen :
Benzen: là một hợp chất mạch vòng, ở dạng lỏng khồng màu và có mùi thơm nhẹ.Công thức
phận tử là CöHö. 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 mồi. Tuy
nhiên sau đó người ta phát hiện ra rằng nồn^ độ benzen trong không khí chỉ cần thấp khoảng
lppm cũng có khả năng gây ra bệnh bạch cầu, nên ngày nay benzen được sử dụng hạn chế hơn
So sánh ưu nhươc điêm của các loai t láp :
Tháp chêm Tháp mâm xuyên lỗ Tháp chóp
Ưu
điểm
- Câu tạo khá đơn giản.
- Trở lực thấp.
- Làm việc được với chất lỏng bẩn nếu dùng
đệm cầu có p « p của chất lỏng.
- Trở lực tương đôi thâp.
- Hiệu suất khá cao.
- Khá ổn định.
- Hiệu suất cao.
Nhược
điểm
- Do có hiệu ứng thành —» hiệu suất truyền
khối thấp.
- Độ ôn định không cao, khó vận hành.
- Do có hiệu ứng thành —» khi tăng năng
suất thì hiệu ứng thành tăng —» khó tăng
năng suất.

- Thiết bị khá nặng nề.
- Không làm việc được với chất
lỏng bẩn.
- Ket cấu khá phức tạp.
- Có trở lực lớn.
r \
rn • /V
1 A 1 * A
- Tiêu tôn nhiêu vật tư,
kết cấu phức tạp.
Các tính chất vât lí của benzen : o Khối lượng phân tử: 78,11 o Tỉ trọng’(20°C): 0,879 o Nhiệt độ
sôi: 80°c o Nhiệt độ nóng chảy: 5,5°c Toluen: là một hợp chất mạch vòng,ở dạng lỏng và có
tính thơm ,công thức phân tử tương tự’ như benzen có gắn thêm nhóm -CH3. Không phân
cực,do đó toluen tan tốt trong benzen.Toluen có tính chất dung môi tương tự benzen nhưng độc
tính thấp hơn nhiều, nên ngày nay thường được sử dụng thay benzen làm dung môi trong phòng
thí nghiệm và trong công nghiệp.
Các tính chất vât lí của toluen:
o Khối lượng phân tử :
92,13 o Tỉ trọng (20°C):
0,866
o Nhiệt độ sôi: 111 c
o Nhiệt độ nóng chảy : -95 °c
Các phương thức điều chế :
o Đi từ nguồn thiên nhiên
Thông thường các hidrocacbon ít được điều chế trong phòng thí nghiệm, vì có thể
thu được lượng lớn nó bằng phương pháp chưng cất than đá, dầu mở
o Đóng vòng và dehiro hóa ankane
o Các ankane có thế tham gia đóng vòng và dehidro hóa tạo thành hidro cacbon thơm
ở
nhiệt độ cao và có mặt xúc tác như Cr2Ơ3, hay các lim loại chuyển tiếp như Pd, Pt

CH
3
(CH
2
)
4
CH3
>
C
6
H6
o Dehidro hóa các cycloankane
Các cycloankane có thể bị dehidro hóa ở nhiệt độ cao với sự có mặt của các xúc tác
kim loại chuyến tiếp tạo thành benzen hay các dẫn xuất cảu benzen C
6
Hi2 *iĩi >
C
6
H
6
o Đi từ acetylen
Đun acetane trong sự có mặt cảu của xúc tác là than hoạt tính hay phức của niken
như Ni(CO)[(CôH5)P] sẽ thu được benzen 3C2H2 —^ C
6
H
6
_
o Từ benzen ta có thể điều chế được các dẫn xuất của benzen như to lu en bằng phản
ứng
Friedel-Crafts (phản ứng ankyl hóa benzen bằng các dẫn xuất ankyl halide với sự

có mặt cảu xúc tác AICI3 khan C
6
H
6
+ CH3- C1
A
-Ỉ£h > C
6
H
5
-CH
3
2. Hỗn hoT3 benzen - toluen :
Ta có bảng thành phần lỏng (x) - hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Benzen -
Toluen ở 760 mmHg.(Tham khảo STT1)
CfnwngJLi
QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
Hỗn hợp Benzen - Toluen có nồng độ Benzen là 40% (phần khối lượng), nhiệt độ nguyên liệu
lúc đầu là 30°c tại bình chứa nguyên liệu (1), được bơm (2) bơm lên bồn cao vị
(3) . Dòng nhập liệu được gia nhiệt tới nhiệt độ sôi trong thiết bị truyền nhiệt ống chùm. Sau đó hỗn
hợp được đưa vào tháp chưng cất (6) ở đĩa nhập liệu và bắt đầu quá trình chưng cất. Lưu lượng dòng
nhập liệu được kiểm soát qua lưu lượng kế (14).
Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn luyện của tháp chảy xuống.
Trong tháp, hơi đi dưới lên gặp long đi 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 phía dưới càng giảm nồng độ các cấu
tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi tạo nên từ nồi đun (10) lôi cuốn cấu tữ dễ bay hơi. Nhiệt độ càng lên
X (% phân mol)
0 5 10 20
30 40 50 60 70 80
90 100

y (% phân mol)
0 11,8
21,4 38 51,1 61,9 71,2 79 85,4 91 95,9
100
t(°C)
110,6
108,3 106,1
102,2
98,6 95,2 92,1 89,4
86,8
84,4 82,3 80,2
trên càng thấp, nên khi hơi đi qua các đĩa từ dưới lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao là toluen sẽ ngưng
tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử benzen chiếm nhiều nhất (nồng độ
98% phần khối lượng). Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ
(7) được ngưng tụ hoàn toàn. Một phần chất lỏng ngưng tụ đi qua thiết bị làm nguội sản phấm đỉnh
(8), được làm nguội bằng thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống(8) rồi được đưa qua bồn chứa sản phấm
đỉnh (9). Phần còn lại của chất lỏng ngưng tụ được hoàn lưu về tháp ở đĩa trên cùng với tỉ số hoàn
lưu thích hợp và được kiếm soát bằng lưu lượng kế(5). Cuối cùng ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp
lỏng hầu hết là cấu tử khó bay hơi (Toluen). Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độ Toluene là 99% phần
khối lượng, còn lại là Benzene. Dung dịch lỏng ở đáy đi ra khỏi tháp vào nồi đun (10). Trong nồi
đun dung dịch lỏng một phần sẽ bốc hơi cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại ra
khỏi nồi đun được cho qua thiết bị làm nguội sản phấm đáy (13) rồi đi vào thiết bị làm nguội sản
phẩm đáy(13) sau đó vào bồn chứa sản phấm đáy(12).
Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phấm đinh là Benzen, sản phấm đáy là Toluen
r
C
h
ư
ơ
n

g
3
:
C
Â
N

B
Ằ
N
G

V
Ả
T

C
H
Ấ
T
I.
C
Á
C

T
H
Ô
ĐAMH Quá trình & Thiêt bị GVHD : Phan Đình Tuân
Trang 10

N
G

S
Ổ

B
A
N

Đ
Ầ
U

:
ĐAMH Quá trình & Thiêt bị GVHD : Phan Đình Tuân
Trang 11
ĐAMH Quá trình & Thiêt bị GVHD : Phan Đình Tuân
Trang 12
C
h
ọ
n
l
o
ạ
i
t
h
á

p
l
à
t
h
á
p
m
â
m

c
h
ó
p
.
K
h
i
c
h
ư
n
g
l
u
y
ệ
n
h

ỗ
n
h
ợ
p
B
e
n
z
e
n
-
T
o
l
u
e
n
t
h
ì
c
ấ
u
t
ử
d
ễ
b
a

y
h
ơ
i
l
à
B
e
n
■ Năn
g
su
ất
sả
n
ph
ẩm
đỉ
nh
:
D
=
20
01
/h
■ Nồ
ng
độ
nh
ập

liệ
u :
X
F
=
40
%
ph
ân
kh
ối
lư
ợn
g
■ Nồ
ng
độ
sả
n
ph
ẩm
đỉ
nh
:
X
D
ĐAMH Quá trình & Thiêt bị GVHD : Phan Đình Tuân
Trang 13
=
98

%
ph
ân
kh
ối
lư
ợn
g
■ Nồ
ng
độ
sả
n
ph
ấm
đá
y:
X
w
=
99
%
ph
ân
kh
ối
lư
ợn
g
■ Nh

iệt
độ
nh
ập
liệ
u:
nh
ập
liệ
u
ở
trạ
ng
ĐAMH Quá trình & Thiêt bị GVHD : Phan Đình Tuân
Trang 14
thá
i
lỏ
ng
sôi
■ Chọ
n:
S Nhiệt độ
nhập liệu: tpv
= 94°c
s Nhiệt độ sản
phẩm đáy sau
khi làm
nguội: twR =
35°c S Nhiệt

độ dòng nước
lạnh đi vào: ty
= 30°c
S


Nhiệt độ dòng
nước lạnh đi
ra: tR = 40°c
■ Các
ký
hiệ
u:
s F, F: suất
lượng nhập
liệu tính theo
kg/h, kmol/h.
s D, D: suất
lượng sản
phẩm đỉnh
tính theo kg/h,
kmol/h. s w,
W: suất lượng
sản phẩm đáy
tính theo kg/h,
kmol/h.
S


Xi, Xị : nồng

độ phần mol,
phần khôi
ĐAMH Quá trình & Thiêt bị GVHD : Phan Đình Tuân
Trang 15
lượng của cấu
tử i.
II.
X
Á
C

Đ
Ị
N
H

S
U
Ấ
T

L
Ư
Ơ
N
G

D
Ò
N

G

N
H
Ả
P

L
I
Ê
U

V
Ả

D
Ò
N
G

S
Ả
N

P
H
ĐAMH Quá trình & Thiêt bị GVHD : Phan Đình Tuân
Trang 16
Ẩ
M

Đ
A
Y
:
M
F

=x
f
.M
b +
(1-
X
F
).M
T
=
0,4.78
+ (l-
0.4).9
2 =
86.4
kg/km
ol M
D
=x
d
.M
b +
(1-

X
D
).
M
T
=
0,98.7
8 + (l-
0,98).
92 =
78.28
kg/km
ol
Mw
=X
W
.
M
B
+
(1-
xw).
M
T
=
0,01.
78 +
(1-
0,01 )
.92

=91,8
6
ĐAMH Quá trình & Thiêt bị GVHD : Phan Đình Tuân
Trang 17
kg/km
ol
0,4

—
= 0 44
1, 4
1-0,4
’
- -
1-
M
B
M
T
ĐAMH Quá trình & Thiêt bị GVHD : Phan Đình Tuân
Trang 18
78 92
x



w
M
0,0
— = 0 012

0,01 1-0,01 ’
+ ———
78 92
Dòng sản phẩm đỉnh có nhiệt độ 80°c nên ta có khối lượng riêng của dòng này: Pb =
815 kg/m3, PT = 805 kg/m
3
=
Ĩ1L+ \z±JL p
u
= 809Â;g7m
3
PD PB PT
-> D = V
D
.p
D
= 0,2.809 = 161,8%/A -ỳ D = —= 2,07kmoỉ/ h
M
D
\ r
Phương trình cân băng vật chât:
w = 240,6kg/h w
= 2,8kmol / h F
= 4 0 2 Akg/h
F = AẬlkmoỉ!
h
III. XẮC ĐINH CHỈ sổ HỎI LƯU THÍCH HƠP :
* Chỉ sô hồi lưu tối thiểu :
Tỉ sô" hoàn lưu tối thiểu là chế độ làm việc mà tại đó ứng với sô" mâm lý thuyết là
vô cực. Do đó, chi phí cô" định là vô cực nhưng chi phí điều hành (nhiên liệu, nước và

bơm ) là tối thiểu.
F = D + W F.X
F
=
D.X
D
+ W.x

w
F= 402,4 kg/h D= 161,8 kg/h
w = 240,6 kg/h
F = 4,87 kmol/h D = 2,07 kmol/h
w = 2,8 kmol/h
X
F
= 0.4 X
D
= 0,98
II
o
X
F
= 0.44 X
D
= 0,983 x
w
=0,012
Dựa vào hình 1 ta có X
F
= 0,44=> y

F
* = 0,643
T
9 V n _ X
D
-y*F _ 0,983-0,64.3 _
Ti số hoàn lưu toi thiêu : R. = —^= — = 1,68
y
F
-x
f
0,643-0,44
Tỉ sổ" hoàn lưu làm việc tính theo công thức kinh nghiệm: R = l,5R
m
in = 1,5.1,68 = 2,52
Theo Phương pháp thể tích tháp nhỏ nhất ta có: V = S.H Với s - diện tích tiết diện ngang của tháp; H
- chiều cao tháp. Mặt khác diện tích tiết diện tháp tỉ lệ vơi lượng hơi, lượng hơi này lại tỉ lệ với lượng
hoàn lưu hay s tỉ lệ với R.
Chiều cao tháp tỉ lệ với số đĩa lý thuyết N]
t
. Vậy thể tích tháp tỉ lệ với giá trị Nit.(R+l). Lần
lượt cho các giá trị R và tìm thế tích tháp, ứng với giá trị nào nhỏ nhất của thế tích tháp thì R đó là tỉ số
hoàn lưu tối ưu.
Biểu diễn trên đồ thị:
Hình 1: Đồ thị cân bằng pha của hệ Benzen - Toluen tại p = latm
R 5 4.5 4 3.5 3 2.5 2
N,t 12 13 14 16 15 15 18
(R+l).NIt 72 71.5 70 72 60 52.5 54
Theo đồ thị trên ta chọn giá trị tỉ số hồi lưu thích họp R = 2,48
IV. PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LẰM VIÊC - sổ MẮM LÝ THUYÊT:

1. Phương trình đường làm vỉêc của đoan cất:
R x
n
2,48 0,983
y _
i ? + l
X+
/? + l ~ 2,48 + l
X+
2,48 + 1 = 0,771.x +0,284
2
. Phương trình đường làm viẽc phần chưng:
-Phương trình đường làm việc của phần chưng
* + / ’ /-!
y=
R+1 R+1
X
D
-X
W
0,983-0,012
với f=
X
F
-X
W
0,44-0,012
ĐAMH Quá trình & Thiêt bị GVHD : Phan Đình Tuấn
Trang 21
Xw

=1,37x -0.0044
=2,27
H ì n h 2 : Đồ thị xác định số mâm lý thuyết chưng hệ Benzen - Toỉuen tại p = latm
3 . Sô" đĩa ly thuyết:
Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết:
Dựng đường làm việc của tháp bao gồm đường làm việc phần cất và phần chưng. Trên đồ thị
y-x ta lần lượt vẽ các đường bậc thang từ đó xác định được sô" đĩa lý thuyết là 14.56 đĩa, ta
lấy tròn 15 Từ đồ thị, ta có : 15 đĩa bao gồm : |ỗ mâm cất
■ị 1 mâm nhập liệu
6 mâm chưng (5 mâm chưng + 1 nồi đun) Tóm lại, sô" đĩa lý thuyết là Nu = 15 mâm.
V. XÁC ĐINH SỐ MÂM THƯC TỂ:
CÓ nhiều phương pháp xác định số mâm thực của tháp, ngoại trừ các ảnh hưởng của thiết kế cơ
khí tháp thì ta có thể xác định số mâm thực dựa vào hiệu suất trung bình:
Nt = Nit/rịtb
Trong đó: N
t
- số đĩa thực tế, Nu - số đĩa lý thuyết, TỊtb - hiệu suất trung bình của thiết bị
Y I , + n
n
+ + + «
TỊtb
n
Trong đó ĩii - hiệu suất của các bậc thay đổi nồng độ, n - số vị trí tính hiệu suất
Trong trường hợp này ta tính
„ - n
D
+n
F
+n
w

3
"
Với n
D
n
F
n
w
- lần lượt là hiệu suất ở đĩa trên cùng, hiệu suất ở đĩa nhập liệu và hiệu suất
ở đĩa dưới cùng
ĐAMH Quá trình & Thiêt bị GVHD : Phan Đình Tuấn
Trang 22
- Xác định n
D
ta có: Tđ(nhiệt độ đỉnh tháp) = 80°c, X
D
= 0,983 suy ra yD = 0,994sử dụng bảng 1.101
trang 91 STT1tra và nội suy các giá trị độ nhớt ỊiB =0,316.10"
3
N.s/m
2
, |LiT= 0,319.10”
3
N.s/m
2
.
Độ nhớt của hỗn hợp lg Ịihh
=
x
D

.lg|iB - (1- x
D
).lg [ÍT

(theo công thức 1.12 trang 84 [5]) ỊLihh = 0,316.
lo-
3
N.s/m (= 0.316CP)
v r A ' u u + A * - - y
1_x
_
0994
1 0.983 _ „_
Va độ bay hơi tương đôi a = ——.—— = .——— = 2,87
ì-y

X

1-0.994 0.983
a. ỊLihh
=
2,87.0,316 = 0,905, theo hình IX. 11 trang 171 thì n
D
= 0,53
- Xác định n
F
, tương tự như trên ta có:
TF(nhiệt độ đĩa nhập liệu) = 94°c, Xf = 0,44 suy ra yo = 0,643 sử dụng bảng 1.101 trang 91 [5] tra và
nội suy các giá trị độnhớt Ịi
B

=
0,277.10'
3
N.s/m
2
, ỊLiT = 0,291.10’
3
N.s/m
2
.
Độ nhớt của hỗn hợp lg jLLhh = XD.lgl^iB - (1- xo).lg (theo công thức1.12
trang 84
STT1) -> ỊLihh = 0,293. 10
3
N.s/m
2
(= 0,293 cP)
\ Ĩ ' A ~ U U - u - y
1 _ x
_ °-
643 1 _ 0
-
4 4
_ O O O
Và độ bay hơi tương đôi a = ——.—— = — —— = 2,29
ì-y X

1-0.643 0.44
-ỳ a. ỊLihh = 2,29.0,293 = 0,672, theo hình IX. 11 trang 171 thì n

D
= 0,58
- Xác định n
w
, tương tự như trên ta có:
T
w
(nhiệt độ đĩa dưới cùng) = 110°c, x
w
= 0,012 suy ra yD = 0,065 sử dụng bảng 1.101 trang 91 [5]
tra và nội suy các giá trị độ nhớt ỊiB = 0,239.10‘
3
N.s/m
2
, ỊLiT = 0,250.10‘
3
N.s/m
2
.
Độ nhớt của hỗn hợp lg Ịihh = XD.lgỊiB - (1- xo).lg ỊiT (theo công thức 1.12 trang 84 [5]) -> ỊLihh =
0,249. io"
3
N.s/m
2
(= 0,249 cP)
\ T ' A * U u • 4- - y
1 _ x
-
0 0 3 6 5
! - 0 . 0 1 2 _

Va độ bay hơi tương đôi a = ——.—— = —-— —— = 3,12
\-y X

1-0.0365 0.012
a. ỊLihh = 3,12.0,249 = 0,777, theo hình IX. 11 trang 171 thì n
D
= 0.62
n
D
+n
F
+n
w
_ 0,53 + 0,58 + 0,62
TỊtb
—
U.JO
3
3
Suy ra số mâm thực :
Nt = Nit/rịtb = 15/0,58 = 25,8 lấy tròn 26 mâm
Chương 4 :
TÍNH TOÁN THÁP CHƯNG CAT
• Đường kính tháp chưng cất (Dt) :
D, = —^ =0,0188 —^ (m)
]Ị 71.3600.(0
tb
]Ị (p
y
.ca

y
)
l b
Vtb :lượng hơi trung bình đi trong tháp m
3
/h.
C0tb :tốc độ hơi trung bình đi trong tháp m/s. gtb
: lượng hơi trung bình đi trong tháp Kg/h.
Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng và đoạn cất khác nhau.Do đó, đường kính đoạn
chưng và đoạn cất cũng khác nhau.
ĐAMH Quá trình & Thiêt bị GVHD : Phan Đình Tuân
Trang 23
I. Đường kính đoan cất :
1. Lương hơi trung bình đi trong tháp ỏ’ đoạn cất:
s* =
Ể£

J

ỂL

k
ỗ
/h
gd : lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp kg/h gi : lượng
hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn cất kg/h
• Xác định gd:
gd= D.(R+1) =2,07.(2,48+1) = 7,204 kmol/h
= 563,93 kg/h (Vì MhD
=78.y

D
+(l-y
D
).92 = 78,28 kg/kmol)
• Xác định gi: Từ hệ phương trình :
'gi=Gi+D
<
gỉ- y i = G

Ì

.X

Ì



+D.X
D
(IV. 1)
S i - ' i =g
d
-r
d
Với:
Gi : lượng lỏng ỏ đĩa thứ nhất của đoạn cất.
1*1: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn cất Td : ẩn
nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi ra ở đỉnh tháp .
* Tính n : ti = tFs = 94°c , tra bảng 1.212, trang 254, [5] ta có :
Ân nhiệt hoá hơi của Benzen : ĨB1 = 383,1 kJ/kg.

Ẩn nhiệt hoá hơi của Toluen : m = 371,3 kJ/kg.
Suy ra : n = r
B
i.yi + (l-yi).rn = 373,lyi - 1 l,8y 1 n= 373,ly
1 - 11,8y 1 kJ/kg
* Tính ĩd : to = 80 °c , tra bảng 1.212, trang 254, [5] ta có :
Ân nhiệt hoá hơi của Benzen : r
B
d = 393,3 kJ/kg.
Ẩn nhiệt hoá hơi của Toluen : ĩTd = 378,3 kJ/kg .
Suy ra : r
D
= r
B
d.yD+ (l-yD)-iTd = 393,3-0,99 + 378,3-0,01 -»
r
D
= 393,15 kJ/kg (với X
D
= 0,983 suy ra ỵd theo phân khối
lượng là 0,99)
* Xi = Xp = 0,4(ta coi n)
ĐAMH Quá trình & Thiêt bị GVHD : Phan Đình Tuấn
Trang 24
Gi = 593,3 kg/h
yi = 0,524 (phân khối lượng benzen) gi = 755,1 kg/h
2
2 . Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp ở đoan cất:
n cất:
(p.v

w
X
=
ŨM5.ẹWyh.p
xtl
,p
y
,
b
Với : Pxtb : khôi lượng riêng trung bình của pha lỏng kg/m
3
. pytb: khôi lượng riêng trung
bình của pha hơi kg/m
3
. h: khoảng cách mâm (chọn h = 0,3 ứng với D = 0,6-l,2m)
ọ[ơ]: hệ số tính đến sức căng bề mặt
• Xác định Pytb :
_1'V78 + (1-VJ.92Ị273
22,44, + 273)
Với: + Nồng độ phân mol trung bình : ytb = —
+
— = — ’ = 0,725
+ Nhiêtđô trung bình đoan cất: ttb = -
+
— = = 89,5 °c
2 2
Suy ra : Pytb=2,752 kg/m
3
.
• Xác định pxtb :

XT* ^ u „ 1, u , _X
F
+X
D
0,44 + 0,983
Nông độ phân mol trung bình : X(b = = = 0,692
Suy ra : X,, = _ 65 5
78.x,
t
+(l-xJ.92
ttb = 89,5°c , tra bảng 1.2, trang 9, [5], ta có :
Phe„zen = 804Ấrg/«
3
P,oluan
= 1^kglm
ỉ
1
_
x
,b
Ị
Pxtb Pb enzenplo lu en
.3
Pxtb = 802 kg/m Xác định (p\ơ\: hệ số tính đến
sức căng bề mặt Ta có:
—= — + — = —— + —— =^> ơ
hh
= 10,7.10
3
N / m = 10,7dynl cm

ơ
hh
Ơ
B
Ơ
T
21,3.10 21,5.10
hh
Ơ
B
=21,3.10‘
3
N/m, ƠJ = 21,5.10"
3
N/m (số liệu tra từ bảng 1.242 trang 300 STT1)
Ta thấy ơ
hh
< 20 theo STT2 - trl84 chọn <£>[cr]= 0,8
{py

w



f),

h

=
0

№5.qịơ\ịh .p

x t b

p

y t ì >

= 0,065.0,8.^/0,3-802.2,752 = 1,33%/m

2



.s
D, =0,0188 I

—ẵíỀ =0,0188. =0,419m

' (Pytoy)* V U3
ĐAMH Quá trình & Thiêt bị GVHD : Phan Đình Tuân
Trang 25
Giải hệ (IV. 1), ta được:
563,93 + 755,1 Vậy : gtb =
- = 659,5 kg/h
Vận tốc hơi đi trong tháp ở đoạn cất:
Py
Với