Nhóm 9 pbl 2 aceton benzen

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA HÓA – BỘ MƠN CƠNG NGHỆ DẦU KHÍ & KHAI THÁC DẦU


BÁO CÁO DỰ ÁN LIÊN MƠN
Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ CƠNG NGHỆ HĨA HỌC

ĐỀ TÀI:
TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG THIẾT BỊ CHƯNG LUYỆN LIÊN
TỤC ĐỂ PHÂN RIÊNG HỖN HỢP ACETON – BENZEN BẰNG THÁP ĐĨA

Lớp học phần:

20N52

Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Trương Hữu Trì
TS. Nguyễn Thị Thanh Xuân
TS. Nguyễn Thanh Bình
Nhóm thưc hiện:

Nhóm 9
1. Nguyễn Cảnh Nghị

Nhóm trưởng

2. Lê Tiến Linh

Thành viên

3. Huỳnh Ngọc Huy

Thành viên

Đà Nẵng, tháng 6 năm 2023


LỜI NÓI ĐẦU
Trong bối cảnh nền kinh tế Việt Nam đang trên đà phát triển mạnh mẽ như hiện nay,
tăng trưởng GDP đạt 6,5% trong năm 2023 thì nền cơng nghiệp nói chung và nền cơng
nghiệp hóa học nói riêng đóng một vai trị vơ cùng to lớn vào đà tăng trưởng chung của
đất nước. Ngành cơng nghệ hóa học giữ vai trò quan trọng trong việc sản xuất các sản
phẩm phục vụ cho nền kinh tế quốc dân, tạo tiền đề cho nhiều ngành khác phát triển.
Kinh tế phát triển, nhu cầu của con người ngày càng tăng. Do vậy các sản phẩm cũng
đòi hỏi cao hơn, đa dạng, phong phú hơn theo đó cơng nghệ sản xuất cũng phải nâng
cao. Trong cơng nghệ hóa học nói chung việc sử dụng hóa chất có độ tinh khiết cao là
yếu tố căn bản tạo ra sản phẩm có chất lượng cao.
Trong cơng nghiệp có nhiều phương pháp chưng cất khác nhau nhưng phương pháp
chưng cất liên tục được sử dụng rộng rãi và thường xuyên nhất. Nguyên tắc phương
pháp là dựa vào nhiệt độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp. Về thiết bị
thì có nhiều loại khác nhau, tuỳ thuộc vào yêu cầu công nghệ mà người ta chọn loại
thiết bị phù hợp.
Chính vì lý do đó mục đích của dự án này là tính toán thiết kế hệ thống tháp đĩa chưng
luyện liên tục của hỗn hợp hai cấu tử Aceton và Benzen có năng suất 50 tấn/ngày,
nồng độ khối lượng hỗn hợp đầu là 35%, nồng độ sản phẩm đỉnh là 96%, nồng độ sản
phẩm đáy là 7%.

1

Nhóm 9: Nguyễn Cảnh Nghị, Lê Tiến Linh, Huỳnh Ngọc Huy

LỜI CAM ĐOAN
Chúng tơi xin cam đoan tồn bộ nội dung dự án do chính chúng tơi tìm kiếm tài liệu
và tham khảo trình bày tài liệu như trình bày bên dưới là đúng sự thật. Khơng có sao
chép từ bất cứ đồ án nào khác, tất cả những tham khảo và kế thừa đều được trích dẫn
và tham chiếu đầy đủ. Chúng tôi xin chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình.

2

Nhóm 9: Nguyễn Cảnh Nghị, Lê Tiến Linh, Huỳnh Ngọc Huy


MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU...................................................................................................................1
LỜI CAM ĐOAN..............................................................................................................2
MỤC LỤC......................................................................................................................... 3
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU......................................................................................5
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ............................................................................................6
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM, QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT, BIỆN
LUẬN LỰA CHỌN LOẠI THÁP CHƯNG CẤT VÀ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ.. .7
1. Tổng quan về sản phẩm..............................................................................................7
1.1 Aceton.................................................................................................................. 7
1.2. Benzen.................................................................................................................. 9
2. Giới thiệu về quá trình chưng cất, phương pháp chưng cất.......................................11
2.1. Khái niệm về chưng cất......................................................................................11
2.2. Các phương pháp chưng cất...............................................................................11
3. Biện luận lựa chọn tháp chưng cất và dây chuyền công nghệ...................................12
3.1. Thiết bị chưng cất...............................................................................................12
3.2. Dây chuyền công nghệ.......................................................................................14
3.3. Quá trình làm việc của tháp chưng cất..............................................................14

CHƯƠNG II: TÍNH CƠNG NGHỆ THIẾT BỊ CHÍNH..................................................16
1. Cân bằng vật liệu...................................................................................................16
1.1. Số liệu ban đầu...................................................................................................16
1.2. Các kí hiệu ban đầu............................................................................................16
1.3. Tính tốn cân bằng vật liệu................................................................................16
1.4. Thành phần pha của hỗn hợp 2 cấu tử Aceton – Benzen....................................18
1.5. Xác định tỷ số hồi lưu và số đĩa lí thuyết...........................................................20
2. Cân bằng nhiệt lượng.............................................................................................27
2.1. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu...................................28
2.2. Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện.......................................................31
2.3. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ ở đỉnh tháp.....................................34
2.4. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh................................35
CHƯƠNG III: TÍNH KẾT CẤU CƠNG NGHỆ THIẾT BỊ CHÍNH...............................36
1. Tính số đĩa thực tế....................................................................................................36
2. Tính tốn đường kính thiết bị tháp chứng cất...........................................................37
3

Nhóm 9: Nguyễn Cảnh Nghị, Lê Tiến Linh, Huỳnh Ngọc Huy


2.1. Tính tốn đường kính tháp chưng cất.................................................................37
2.2. Đường kính đoạn luyện......................................................................................38
2.3. Đường kính đoạn chưng.....................................................................................42
2.4. Tính tốn chiều cao tháp chưng cất....................................................................43
3. Tính tốn và chọn đĩa.............................................................................................43
3.1 Đoạn luyện..........................................................................................................43
3.2 Đoạn chưng.........................................................................................................44
4. Trở lực...................................................................................................................... 46
4.1. Trở lực đối với đoạn chưng................................................................................46
4.2. Trở lực đối với đoạn luyện.................................................................................46

5

.Tính tốn cơ khí....................................................................................................48
5.1 Tính chiều dày thân hình trụ hàn, thẳng đứng.....................................................48
5.2 Tính đáy tháp và nắp thiết bị...............................................................................50
5.3 Tính bề dày lớp cách nhiệt..................................................................................51
5.4. Tính đường kính ống dẫn...................................................................................53
5.5. Chọn mặt bích....................................................................................................56
5.6. Tính khối lượng tồn tháp..................................................................................59

CHƯƠNG IV: TÍNH TỐN THIẾT BỊ PHỤ.................................................................62
1. Tính thiết bị đun sơi hỗn hợp đầu...........................................................................62
2. Xác định hiệu số nhiệt độ trung bình Dttb và nhiệt độ trung bình ttb hỗn hợp đầu.62
3. Tính lượng nhiệt trao đổi dùng để đun nóng hỗn hợp đầu đến nhiệt đội sơi............63
4.

Tính bề mặt truyền nhiệt......................................................................................67

5

Tính số ống truyền nhiệt........................................................................................67

CHƯƠNG V: TÍNH TỐN VÀ CHỌN BƠM................................................................69
1. Chọn bơm................................................................................................................. 69
2. Tính năng suất thể tích bơm......................................................................................71
3. Tính áp suất tồn phần của bơm...............................................................................72
4. Tính tốn cơng suất của bơm và động cơ điện..........................................................74
KẾT LUẬN...................................................................................................................... 76
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................77

4

Nhóm 9: Nguyễn Cảnh Nghị, Lê Tiến Linh, Huỳnh Ngọc Huy


DANH MỤC CÁC BẢNG BI
Bảng 2.1: Bảng cân bằng vật liệu của tháp chưng cất....................................................17
Bảng 2.2: Bảng thành phần cân bằng lỏng hơi và nhiệt độ sôi của hỗn hợp 2 cấu tử
Axeton và Benzen ở áp suất 760mmHg (mol)...............................................................17
Bảng 2.3: Bảng nội suy tuyến tính của hỗn hợp Axeton - Benzen.................................18
Bảng 2.4: Bảng xác định chỉ số hồi lưu thích hợp và số đĩa lí thuyết.............................25
Y

Bảng 3.1: Bảng bích liền kiểu 4 bằng thép để nối thiết bị..............................................54
Bảng 3.2: Bảng bích liền kiểu 1 bằng kim loại đen để nối các bộ phận của thiết bị và
ống dẫn........................................................................................................................... 54
Bảng 3.3: Thông số chọn chân đỡ..................................................................................57
Bảng 3.4: Thông số chọn tai treo...................................................................................57

5

Nhóm 9: Nguyễn Cảnh Nghị, Lê Tiến Linh, Huỳnh Ngọc Huy


DANH MỤC CÁC HÌN
Hình 1.1 Các loại tháp đĩa..............................................................................................13
Hình 1.2 Hoạt động của tháp đĩa....................................................................................14
Hình 1.3 Sơ đồ cơng nghệ..............................................................................................15
YHình 2.1: Đường cân bằng x-y

18

Hình 2.2: Đường cân bằng T-x-y...................................................................................18
Hình 2.3: Đồ thị xác định số đĩa lí thuyết của hỗn hợp Aceton-Benzen tại b = 1.3........22
Hình 2.4: Đồ thị xác định số đĩa lí thuyết của hỗn hợp Aceton-Benzen tại b = 1.4........22
Hình 2.5: Đồ thị xác định số đĩa lí thuyết của hỗn hợp Aceton-Benzen tại b = 1.7........23
Hình 2.6: Đồ thị xác định số đĩa lí thuyết của hỗn hợp Aceton-Benzen tại b = 1.9........23
Hình 2.7: Đồ thị xác định số đĩa lí thuyết của hỗn hợp Aceton-Benzen tại b = 2.1........24
Hình 2.8: Đồ thị xác định số đĩa lí thuyết của hỗn hợp Aceton-Benzen tại b = 2.3........24
Hình 2.9: Đồ thị xác định số đĩa lí thuyết của hỗn hợp Aceton-Benzen tại b = 2.5........25
Hình 2.10: Sơ đồ hệ thống tháp chưng cất.....................................................................26
YHình 3.2: Sơ đồ tháp chưng cất

36

Hình 3.3: Bích liền kiểu 5 bằng thép để nối thiết bị.......................................................53
Hình 3.4: Bích liền kiểu 1 bằng kim loại đen để nối các bộ phận..................................55

6

Nhóm 9: Nguyễn Cảnh Nghị, Lê Tiến Linh, Huỳnh Ngọc Huy


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM, QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT, BIỆN
LUẬN LỰA CHỌN LOẠI THÁP CHƯNG CẤT VÀ DÂY CHUYỀN CÔNG
NGHỆ.
1. Tổng quan về sản phẩm
1.1 Aceton
1.1.1. Khái niệm
Aceton là hợp chất hữu cơ dạng ceton đơn giản nhất, tồn tại ở dạng lỏng, không màu,

tan tốt trong nước và dễ cháy. Aceton được dùng để tổng hợp các chất hữu cơ và có
trong thành phần của sơn móng tay và cũng là dung môi chủ yếu để làm sạch trong
phịng thí nghiệm.
Aceton có cơng thức hóa học là CH3COCH3.
Aceton được biết đến là 1 loại chất lỏng, trong khi các ceton khác sẽ thường là chất
rắn.
Aceton tan vô hạn trong nước, cịn các ceton khác có độ tan được giảm dần khi mà
mạch cacbon tăng.
Aceton được dùng làm dung môi và là nguyên liệu đầu để tổng hợp một số chất hữu cơ
1.1.2. Tính chất vật lý
- Khối lượng mol: 58,04 g/mol
- Khối lượng riêng: 0,791 g/cm3
- Điểm nóng chảy (°C): -950C đến -930C
- Điểm sơi (°C): 56-570C
- Nhiệt lượng đốt cháy: 1788,7 kJ/mol
- Nhiệt độ giới hạn: 235,50C
- Độ Axit (pKa): 19,2
- Độ Bazơ (pKb): -5,2 (với Bazơ liên hợp)
- Độ nhớt: 0.3075 cP
- Độ hòa tan: Tan vơ hạn trong nước, có thể hịa tan được trong hầu hết các dung môi
hữu cơ như ethanol, ether, chloroform, dầu mỡ động vật.
1.1.3. Tính chất hóa học
 Aceton cộng với hydro tạo thành rượu bậc 2

7

Nhóm 9: Nguyễn Cảnh Nghị, Lê Tiến Linh, Huỳnh Ngọc Huy


 Aceton cộng với bisunfit tạo kết tủa

 Aceton bị oxi hóa: Aceton khơng bị oxi hóa bởi dung dịch bạc nitrat trong amonia hoặc
đồng hydroxit nhưng khi gặp các chất oxi hóa mạnh như thuốc tím trong axit
sulfuric, Kali dicromat trong axit sulfuric...thì bị cắt mạch cacbon cạnh nhóm cacbonyl
để tạo axit hữu cơ.
 Aceton tác dụng với amin

 Phản ứng khử: Điều kiện để phản ứng khử xảy ra, người ta dùng H trên xúc tác Niken,
Platin
1.1.4. Điều chế
 Aceton sẽ được sản xuất trực tiếp hoặc gián tiếp từ Propen
 Khoảng 83% Aceton sẽ được sản xuất thông qua phương pháp cumen - dựa trên phương
pháp này mà sản xuất aceton luôn gắn liền với việc sản xuất phenol. Phương pháp
cumen gồm việc alkyl hóa benzen với propen, từ đó sinh ra cumen, ta được oxi hóa và
sinh ra axeton và phenol.
 Ngoài ra, Axeton cũng được sản xuất trực tiếp theo phương thức oxi hay hidro hóa
propen, từ đó sinh ra 2-propanol (isopropanol), tiếp đến khi oxi isopropanol ta sẽ được
Aceton
 Aceton cũng là sản phẩm phụ của quá trình lên men, nên sẽ được sản xuất dưới dạng
sản phẩm phụ của công nghiệp chưng cất
1.2. Benzen
1.2.1 Giới thiệu
Benzen là chất lỏng, không màu, không tan trong nước, nhẹ hơn nước, hòa tan nhiều
chất như: dầu ăn, nến, cao su, iot....Benzen độc.
Cơng thức phân tử: C6H6.

8

Nhóm 9: Nguyễn Cảnh Nghị, Lê Tiến Linh, Huỳnh Ngọc Huy

1.2.2. Tính chất vật lý
Benzen là chất lỏng khơng màu, dễ cháy khi ở nhiệt độ thường. Benzen tan rất kém
trong nước và rượu. Có khả năng cháy tạo ra khí CO 2 và nước, đặc biệt có sinh ra muội
than
 Khối lượng mol: 78,1121g/mol
 Khối lượng riêng: 0,8786 g/cm3
 Điểm nóng chảy: 5,5°C
 Điểm sơi: 80,1 °C
 Độ hịa tan trong nước: 1,79 g/L (25 °C)
 Độ nhớt: 0.7528 cP (10 °C)
0.6076 cP (25 °C)
0.4965 cP (40 °C)
0.3075 cP (80 °C)
1.2.3. Tính chất hóa học
 Phản ứng thế
- Phản ứng với halogen

- Phản ứng với axit nitric

Nguyên tắc thế:
- Các Ankylbenzen rất dễ tham gia phản ứng thế nguyên tử H của vòng Benzen hơn
Benzen và sự thế ưu tiên ở các vị trí ortho và para so với nhóm Ankyl.
Thế nguyên tử H của mạch nhánh:
9

Nhóm 9: Nguyễn Cảnh Nghị, Lê Tiến Linh, Huỳnh Ngọc Huy


- Nếu đun Toluen hoặc các Ankylbenzen với Brom, sẽ xảy ra phản ứng thế nguyên tử

H của mạch nhánh tương tự như ankan.
C6H5CH3 + Cl2  C6H5CH2Cl + HCl (điều kiện ánh sáng và tỉ lệ 1:1)

-

Phản ứng cộng
Cộng Hydro

-

Cộng Clo

-

Phản ứng Oxy hố khơng hồn tồn

-

Phản ứng Oxy hố hồn tồn
CnH2n-6 +



3 n−3
O2 t→° nCO2 + (n-3) H2O
2

Phản ứng với H2SO4
C6H6+H2SO4 → H2O+C6H5SO3H
1.2.4. Điều chế

Benzen, Toluen, Xylen…được điều chế bằng cách chưng cất dầu mỏ và nhựa than đá.
Ngồi ra chúng cịn được điều chế từ Ankan, hoặc Xycloankan:
Phương trình phản ứng:
CH3[CH2]4CH3 t °→, xt C6H6+4H2
Etylbenzen lại được điều chế từ Benzen và Etylene.
Phương trình phản ứng:
C6H6+CH2=CH2→C6H5CH2CH3
2. Giới thiệu về quá trình chưng cất, phương pháp chưng cất
2.1. Khái niệm về chưng cất
10

Nhóm 9: Nguyễn Cảnh Nghị, Lê Tiến Linh, Huỳnh Ngọc Huy


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 khi ở cùng một nhiệt độ áp
suất hơi bão hòa của các cấu tử khác nhau). Sản phẩm đỉnh gồm cấu tử có độ bay hơi
lớn và một phần “rất” ít cấu tử có độ bay hơi bé. Ngược lại, sản phẩm đáy gồm cấu tử
có độ bay hơi bé và một phần “rất” ít cấu tử có độ bay hơi lớn hơn.
2.2. Các phương pháp chưng cất
Trong sản xuất ta thường gặp những phương pháp chưng cất sau đây:
Chưng đơn giản: Dùng để tách các hỗn hợp gồm có các cấu tử có độ bay hơi rất khác
nhau. Phương pháp này thường dung 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 khơng 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 hịa tan một phần hoặc hịa tan hồn tồn vào nhau. Về thực
chất đây là quá trình chưng nhiều lần để thu được sản phẩm tinh khiết.
Trong trường hợp này ta chọn phương pháp chưng luyện do Aceton – Benzen là hai
chất lỏng hịa tan hồn tồn vào nhau và nhiệt độ sơi của Aceton là 56,1ºC, nhiệt độ sôi
của Benzen là 80,1ºC ở nhiệt độ sơi này thì khả năng bay hơi dễ cùng với đó sản phẩm
là Aceton với yêu cầu có độ tinh khiết cao và khi sử dụng Aceton – Benzen là hỗn hợp
khơng có điểm đẳng phí nên chọn phương pháp chưng luyện là hiệu quả nhất.
3. Biện luận lựa chọn tháp chưng cất và dây chuyền công nghệ
3.1. Thiết bị 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
bảo đảm quá trình truyền khối, hiệu suất cao, năng suất lớn, dễ chế tạo, lắp đặt,vận
hành, sửa chữa và thay thế, 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 đĩa
 Tháp đĩa
Tháp đĩa: Thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các đĩa trên đó pha lỏng và
pha hơi được tiếp xúc trực tiếp với nhau. Trên đĩa có gờ chảy tràn để duy trì mực chất
lỏng trên đĩa.
11

Nhóm 9: Nguyễn Cảnh Nghị, Lê Tiến Linh, Huỳnh Ngọc Huy


Tùy theo cấu tạo của đĩa, ta có: tháp đĩa chóp, tháp đĩa van hay tháp đĩa lưới (lỗ).

Hình 1. 1 Các loại tháp đĩa
Ưu điểm và nhược điểm của tháp đĩa

 Ưu điểm:
- Tháp đĩa chóp: năng suất cao, hoạt động ổn định
- Tháp đĩa lỗ: + Chế tạo đơn giản và tiêu tốn kim loại ít hơn tháp đĩa chóp - Hiệu suất
tương đối cao
+ Hoạt động khá ổn định
+ Làm việc với chất lỏng bẩn
 Nhược điểm:
- Tháp đĩa chóp: + Chi tiết cấu tạo phức tạp
+ Trở lực lớn
+ Tốn nhiều vật liệu kim loại
- Tháp đĩa lỗ:
phải

+ Trở lực khá cao

+ Yêu cầu lắp đặt khắt khe (lắp đĩa thật phẳng, lưu lượng làm việc
phù hợp với kích thước lỗ)

12

Nhóm 9: Nguyễn Cảnh Nghị, Lê Tiến Linh, Huỳnh Ngọc Huy


Hình 1. 2 Hoạt động của tháp đĩa
 Tháp đệm
Tháp đệm là một tháp hình trụ gồm nhiều đoạn nối với nhau bằng mặt bích hay hàn.
Đệm được xếp vào tháp theo một trong hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp theo
thứ tự. Trong tháp người ta đổ đầy đệm, tháp đệm được ứng dụng rộng rãi trong công
nghệ hóa học để hấp thụ, chưng luyện, làm lạnh. Về vật liệu đệm tùy vào yêu cầu kĩ thuật
mà tháp đệm sử dụng vật liệu làm đệm khác nhau.

Tháp đệm có thể làm việc ở áp suất thường, áp suất chân không, làm việc liên tục
hoặc gián đoạn. Cấu tạo kích thước đệm tuỳ thuộc chế độ làm việc và yêu cầu độ tinh
khiết của sản phẩm.
Nhưng nó cũng có hạn chế là khó làm ướt đều đệm. Nếu tháp q cao thì phân phối
chất lỏng khơng đồng đều. Để khắc phục, chia đệm thành nhiều tầng có đặt thêm đĩa
phân phối chất lỏng đối với mỗi tầng.
 Ưu điểm:
+ Cấu tạo đơn giản
+ Trở lực nhỏ
+ Hiệu quả tách cao
+ Chi phí lắp đặt thấp
 Nhược điểm:
+ Thiết bị nặng, năng suất thấp, độ ổn định thấp
+ Vệ sinh khó khăn nên khơng được sử dụng các chất lỏng bẩn
13

Nhóm 9: Nguyễn Cảnh Nghị, Lê Tiến Linh, Huỳnh Ngọc Huy


3.2. Dây chuyền cơng nghệ

Hình 1. 3 Sơ đồ cơng nghệ

14

Nhóm 9: Nguyễn Cảnh Nghị, Lê Tiến Linh, Huỳnh Ngọc Huy


3.3. Quá trình làm việc của tháp chưng cất
Hỗn hợp Aceton - Benzen là một hỗn hợp lỏng hòa tan hồn tồn vào nhau theo mọi

tỷ lệ.
Ta có t SAceton = 56.10C < tSBenzen = 80.1oC nên độ bay hơi của Aceton lớn hơn độ bay
hơi của Benzen. Vậy nên sản phẩm đáy chủ yếu là Benzzen và một phần rất ít Aceton,
ngược lại sản phẩm đỉnh lại chủ yếu là Aceton và một phần rất ít là Benzen.
Tiến hành cụ thể : Trước hết hỗn hợp Aceton, Benzen từ thùng chứa (1) được bơm
vào thùng cao vị (10), đi qua lưu lượng kế rồi dẫn xuống thiết bị đun nóng (4). Lưu
lượng kế ở đây có vai trị điều tiết được dịng chảy, kiểm sốt được tốc độ của dịng
ngun liệu xuống thiết bị đun nóng. Sự có mặt của thùng cao vị đảm bảo cho lượng
hỗn hợp đầu vào tháp không dao động, trong trường hợp công suất bơm quá lớn hỗn
hợp đầu sẽ theo ống tuần hoàn tràn về bể chứa hỗn hợp đầu. Ở (4) dung dịch được đun
nóng đến nhiệt độ sơi bằng hơi nước bão hồ. Ra khỏi thiết bị đun nóng, dung dịch đi
vào tháp chưng luyện (5) ở vị trí đĩa tiếp liệu. Do đã được đun nóng đến nhiệt độ sơi
nên tại đây Aceton thực hiện quá trình chuyển khối từ pha lỏng sang pha hơi và tiến về
đỉnh tháp. Benzen là cấu tử khó bay hơi ở nhiệt độ này nó vẫn đang ở thể lỏng và phân
phối xuống dưới. Như vậy trong tháp, hơi Aceton đi từ dưới lên gặp lỏng Benzen đi từ
trên xuống. Vì nhiệt độ càng lên càng thấp nên khi hơi Aceton đi từ dưới lên có mang
theo một phần cấu tử Benzen, cấu tử có nhiệt độ sơi cao sẽ ngưng tụ lại và cuối cùng ở
trên đỉnh ta thu được hỗn hợp gồm hầu hết cấu tử Aceton dễ bay hơi. Hơi Aceton vào
thiết bị ngưng tụ (6) được ngưng tụ lại. Sau đó được đưa vào bình hồi lưu (11). Một
phần chất lỏng đi vào thùng chứa sản phẩm đỉnh (7). Phần còn lại hồi lưu về tháp ở đĩa
trên cùng để tăng mức độ tách.
Tương tự quá trình dịch chuyển của Benzen sẽ kéo theo 1 phần cấu tử Aceton và
càng xuống thấp nhiệt độ của tháp càng tăng khi chất lỏng Benzen đi từ trên xuống gặp
hơi Aceton có nhiệt độ cao hơn, một phần cấu tử có nhiệt độ sơi thấp được bốc hơi và
do đó nồng độ Benzen khó bay hơi trong chất lỏng ngày càng tăng. Cuối cùng ở đáy
tháp ta thu được hỗn hợp lỏng gồm hầu hết là chất lỏng Benzen khó bay hơi. Benzen
vào thiết bị (9) được đun nóng lại. Một phần chất lỏng đi vào thùng chứa sản phẩm đáy
(8), phần còn lại hồi lưu về tháp. Để tiết kiệm hơi đốt người ta có thể dùng hơi ở đỉnh
tháp để đun nóng hỗn hợp ban đầu.

15

Nhóm 9: Nguyễn Cảnh Nghị, Lê Tiến Linh, Huỳnh Ngọc Huy


CHƯƠNG II: TÍNH CƠNG NGHỆ THIẾT BỊ CHÍNH
1. Cân bằng vật liệu
Mục đích: Tính tốn và thiết kế hệ thống thiết bị chưng luyện liên tục để phân riêng
hỗn hợp Acetone – Benzene bằng tháp đĩa.
1.1. Số liệu ban đầu
- Năng suất theo hỗn hợp đầu : 50 tấn/ngày = 2083.33 (kg/h)
- Nồng độ khối lượng của hỗn hợp đầu và sản phẩm đỉnh và đáy tương ứng là:
+ Nồng độ Aceton trong hỗn hợp đầu aF = 35% (phần khối lượng)
+ Nồng độ Aceton trong sản phẩm đỉnh ap = 96% (phần khối lượng)
+ Nồng độ Aceton trong hỗn hợp đáy aw = 7% (phần khối lượng)
- Tháp chưng cất làm việc ở áp suất thường
1.2. Các kí hiệu ban đầu
- GF: lưu lượng khối lượng dòng nguyên liệu (kg/h)
- GP: lưu lượng khối lượng dòng sản phẩm đỉnh (kg/h)
- GW: lưu lượng khối lượng dòng sản phẩm đáy (kg/h)
- aF: phần khối lượng cấu tử nhẹ trong dòng nguyên liệu (%kl)
- aP: phần khối lượng cấu tử nhẹ trong dòng sản phẩm đỉnh (%kl)
- aW: phần khối lượng cấu tử nhẹ trong dòng sản phẩm đáy (%kl)
- F: lưu lượng mol dòng nguyên liệu (kmol/h)
- P: lưu lượng mol dòng sản phẩm đỉnh (kmol/h)
- W: lưu lượng mol dòng sản phẩm đáy (kmol/h)
- xF: phần mol cấu tử nhẹ trong pha lỏng dòng nguyên liệu (%mol)
- xP: phần mol cấu tử nhẹ trong pha lỏng dòng sản phẩm đỉnh (%mol)
- xW: phần mol cấu tử nhẹ trong pha lỏng dòng sản phẩm đáy (%mol)
- yF: phần mol cấu tử nhẹ trong pha hơi dòng nguyên liệu (%mol)

- MA: khối lượng phân tử của Aceton (kg/kmol)
- MB: khối lượng phân tử của Benzen (kg/kmol)
1.3. Tính tốn cân bằng vật liệu
- Tính nồng độ phần mol trong cấu tử Aceton
+ Thành phần mol trong hỗn hợp đầu:
16

Nhóm 9: Nguyễn Cảnh Nghị, Lê Tiến Linh, Huỳnh Ngọc Huy


aF
0,35
MA
58
xF=
=
=0.42( phần mol)
a F 1−a F 0,35 1−0,35
+
+
58
78
M A MB

+ Thành phần mol trong sản phẩm đỉnh:
aP
0,96
MA
58
xP=

=
=0.97( phần mol)
a P 1−a P 0,96 1−0,96
+
+
58
78
MA MB

+ Thành phần mol trong sản phẩm đáy:
aW
0,07
MA
58
xW=
=
=0.092( phần mol)
aW 1−aW 0,07 1−0,07
+
+
58
78
MA
MB

- Tính khối lượng mol trung bình
+ Trong hỗn hợp đầu:
M F =M A × x F + M B × ( 1−x F ) =58 ×0.42+78 × ( 1 – 0.42 )=69.6( kg/kmol)

+ Trong sản phẩm đỉnh:

M P =M A × x P + M B × ( 1−x P ) =58 ×0.97+ 78× ( 1 – 0.97 )=58.6(kg /kmol)

+ Trong sản phẩm đáy:
M W =M A × xW + M B ×(1−xW )=58× 0.092+78×(1 – 0.092)=76.16 (kg /kmol)

- Tính lưu lượng mol các dòng
+ Lưu lượng hỗn hợp đầu theo mol:
F=

G F 2083.33
=
=29.933( kmol/h)
MF
69.6

+ Lưu lượng của dòng sản phẩm đỉnh theo mol:
P=F ×

x F −xW
0.42−0.092
=29.933×
=11.182(kg /kmol)
x P−x W
0.97−0.092

+ Lưu lượng của dòng sản phẩm đáy theo mol:
W =F – P=29.933 – 11.182=18.751(kg/kmol )

- Lưu lượng khối lượng các dòng
+ Lưu lượng khối lượng dịng sản phẩm đỉnh:

G P=P × M P =11.182×58.6=655,26(kg / h)
17

Nhóm 9: Nguyễn Cảnh Nghị, Lê Tiến Linh, Huỳnh Ngọc Huy


+ Lưu lượng khối lượng dòng sản phẩm đáy:
G W =G F – G P=2083.33 – 655.26=1428.07 (kg /h)

Bảng 2. 1: Bảng cân bằng vật liệu của tháp chưng cất

Nguyên
liệu vào
F

Cấu tử
nhẹ A

Cấu tử
nặng B

Tổng

655,26

1428.07

2083.3
3

0.35

0.65

1

11.182

18.751

29.933

0.42

0.58

1

629.04
9

26.210

655.26

0.96

0.04

1

10.846

0.335

11.182

0.97

0.03

1

99.965

1328.10
5

1428.0
7

% khối lượng

0.07

0.93

1

Lưu lượng mol (kmol/h)

1.725

17.025

18.751

% mol

0.092

0.908

1

Lưu lượng khối lượng (kg/h)
% khối lượng
Lưu lượng mol (kmol/h)
% mol

Sản
phẩm
đỉnh ra
P

Lưu lượng khối lượng (kg/h)
% khối lượng
Lưu lượng mol (kmol/h)
% mol

Sản
phẩm
đáy W

Lưu lượng khối lượng (kg/h)

1.4. Thành phần pha của hỗn hợp 2 cấu tử Aceton – Benzen
Bảng 2. 2: Bảng thành phần cân bằng lỏng hơi và nhiệt độ sôi của hỗn hợp 2 cấu tử
Aceton và Benzen ở áp suất 760mmHg (mol)
X

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

Y

0

0,2
5

0,4
1

0,5
2

0,6
1

0,6
8

0,7
3

0,8
1

0,8
7

0,9
4

1

ts(◦C
)

80,
1

74

69,
9

67

64,
7

62,
8

61,
2

59,
8

58,
5

57,
4

56,
3

18

Nhóm 9: Nguyễn Cảnh Nghị, Lê Tiến Linh, Huỳnh Ngọc Huy


Từ số liệu bảng trên ta vẽ đồ thị đường cân bằng x-y và đường cân bằng T-x-y

Đường cân bằng x-y
1
0.9
0.8
0.7

y

0.6
0.5
0.4
0.3
0.2

0.1
0

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

x

Hình 2. 1: Đường cân bằng x-y
T-x,y
1

0.9
0.8
0.7

x,y

0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
56.3

61.3

66.3

71.3

76.3

T
Hình 2. 2: Đường cân bằng T-x-y
¿

Bằng phương pháp nội suy ta tính được y* và t s, như bảng sau:

19

Nhóm 9: Nguyễn Cảnh Nghị, Lê Tiến Linh, Huỳnh Ngọc Huy