ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH CH4659 THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG LUYỆN LIÊN TỤC HỖN HỢP HAI CẤU TỬ ETHANOLNƯỚC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN KỸ THUẬT HÓA HỌC

BỘ MƠN Q TRÌNH THIẾT BỊ CƠNG NGHỆ HĨA HỌC VÀ THỰC PHẨM

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

Đề tài: Tính tốn, thiết kế hệ thống chưng
luyện liên tục làm việc ở áp suất khí quyển để
tách hỗn hợp hai cấu tử Methanol-Nước.

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Ngọc Lan
MSSV: 20180793
Lớp : KTHH 04_K63
Giảng viên hướng dẫn: Đỗ Xuân Trường

Hà Nội, 1-2022
1

VIỆN KỸ THUẬT HOÁ HỌC CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
BỘ MƠN QUÁ TRÌNH – THIẾT BỊ Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
CƠNG NGHỆ HỐ HỌC VÀ THỰC

PHẨM

NHIỆM VỤ
THIẾT KẾ ĐỒ ÁN MÔN HỌC

Họ và tên: Nguyễn Thị Ngọc Lan MSSV: 20180793
Lớp: Cơng nghệ Điện Hóa Khóa : K63

I. Đầu đề thiết kế:

Tính tốn, thiết kế hệ thống chưng luyện liên tục làm việc ở áp suất khí
quyển để tách hỗn hợp hai cấu tử methanol-Nước.

Loại tháp: tháp chưng luyện loại đĩa lỗ có kênh chảy chuyền

II. Các số liệu ban đầu:
- Năng suất thiết bị tính theo hỗn hợp đầu: F = 4.0 (kg/s)
- Nồng độ tính theo cấu tử dễ bay hơi:
+ Hỗn hợp đầu : aF = 14 (% khối lƣợng)
+ Sản phẩm đỉnh: aP = 97 (% khối lƣợng)
+ Sản phẩm đáy: aW = 1.8 (% khối lƣợng)

III. Nội dung các phần thuyết minh và tính tốn:

1. Phần mở đầu

2. Vẽ và thuyết minh sơ đồ cơng nghệ (bản vẽ A4)

3. Tính tốn kỹ thuật thiết bị chính

4. Tính và chọn thiết bị phụ

5. Kết luận
6. Tài liệu tham khảo

IV. Các bản vẽ

Bản vẽ dây chuyền công nghệ: khổ A4

Bản vẽ lắp thiết bị chính: khổ A1

V. Cán bộ hướng dẫn: Đỗ Xuân Trường

VI. Ngày giao nhiệm vụ: ngày 18 tháng 10 năm 2021

2

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3. 1 Cân bằng lỏng hơi nước-Methnol............................................................... 16
Bảng 3. 2 Tính tốn X và 𝒀 ∗ ..................................................................................... 18
Bảng 3. 3 Tổng hợp kết quả ....................................................................................... 22
Bảng 3. 4 Tổng hợp kết quả ....................................................................................... 31
Bảng 3. 5 Tổng hợp kết quả ....................................................................................... 31

3

DANH MỤC HÌNH

Hình 3. 1 Sơ đồ hệ thống chưng ................................................................................. 15
Hình 3. 2 Đồ thị YX xác định số đĩa lý thuyết............................................................ 17
Hình 3. 3 Đồ thị YX xác định 𝑿𝑭 và 𝒀 ∗ 𝑭 ................................................................ 17
Hình 3. 4 Đồ thị y-x xác định số đĩa lý thuyết ............................................................ 19
Hình 3. 5 Đồ thị y-x xác định số đĩa lý thuyết ............................................................ 19
Hình 3. 6 Đồ thị y-x xác định số đĩa lý thuyết ............................................................ 20
Hình 3. 7 Đồ thị y-x xác định số đĩa lý thuyết ............................................................ 20
Hình 3. 8 Đồ thị y-x xác định số đĩa lý thuyết ............................................................ 21
Hình 3. 9 Đồ thị y-x xác định số đĩa lý thuyết ............................................................ 21
Hình 3. 10 Đồ thị xác định chỉ số hồ lưu thích hợp .................................................... 22

Hình 3. 11 .................................................................................................................. 32

4

Mục Lục

I. Đầu đề thiết kế: ................................................................................................ 2
II. Các số liệu ban đầu: ...................................................................................... 2
III. Nội dung các phần thuyết minh và tính tốn: ................................................ 2
IV. Các bản vẽ .................................................................................................... 2
PHẦN 1. MỞ ĐẦU ................................................................................................... 8
1.1 Khái quát về chưng ............................................................................................. 8
1.2 Giới thiệu về hỗn hợp chưng ............................................................................... 9
1.2.1 Rượu methanol .............................................................................................. 9
1.2.2. Nước .......................................................................................................... 10
1.2.3. Hỗn hợp rượu methanol – nước:................................................................. 10
PHẦN 2: SƠ ĐỒ, MÔ TẢ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ..................................... 12
CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN THIẾT BỊ CHÍNH ....................................................... 14
3.1 TÍNH TỐN CÂN BẰNG VẬT LIỆU TOÀN THIẾT BỊ ................................ 14
3.1.1 Cân bằng vật liệu :....................................................................................... 15
3.1.2 Tính chỉ số tối thiểu..................................................................................... 16
3.1.3 Tính chỉ số hồi lưu thích hợp....................................................................... 18
3.1.4 Số đĩa lý thuyết ........................................................................................... 22
3.1.5 Phương trình nồng độ làm việc.................................................................... 22
3.2 Tính đường kính tháp ........................................................................................ 23
3.2.1 Đường kính đoạn luyện ............................................................................... 23
3.3 Đường kính của tháp ......................................................................................... 27
3.3.1 Khối lượng riêng trung bình ........................................................................ 27
3.4.1 Tốc độ làm việc của pha hơi........................................................................... 28
3.5 Đường kính tháp................................................................................................ 29

3.5.1 Đoạn luyện .................................................................................................. 29
3.5.2 Đoạn chưng ................................................................................................. 29
3.6 Xác định chiều cao của tháp chưng luyện.......................................................... 29
3.7 Cân bằng nhiệt lượng trong tháp chưng luyện ................................................... 32
3.7.1 Cân bằng nhiệt lượng trong thiết bị gia nhiệt hôn hợp đầu .......................... 33
3.7.2 Cân bằng nhiệt lượng cho toàn tháp ............................................................ 34
3.8 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ hoàn toàn : ..................................... 37

5

3.9 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm lạnh: ...................................................... 38
3.10 Trở lực tháp chưng luyện ................................................................................ 38

3.10.1 Trở lực đĩa khô ( ∆Pk ) 𝝎2o ....................................................................... 39
3.10.2 Trở lực của đĩa đo sức căng bề mặt: .......................................................... 39
3.10.3 Trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa:............................................................. 40
3.10.4 Trở lực của tồn tháp................................................................................. 40
CHƯƠNG 4 : TÍNH TỐN CƠ KHÍ ...................................................................... 41
4. Tính tốn thân tháp: ............................................................................................ 41
4.1 Chiều dày thân tháp........................................................................................ 41
4.2 Áp suất trong thiết bị:..................................................................................... 41
4.3 Chiều dày thân tháp........................................................................................ 42
4.4 Đường kính ống dẫn hỗn hợp đầu vào tháp .................................................... 43
4.5 Đường kính ống dẫn hơi đỉnh tháp: ................................................................ 43
4.6 Đường kính ống dẫn sản phẩm đáy tháp:........................................................ 44
4.7 Đường kính ống dẫn hơi ngưng tụ hồi lưu:..................................................... 44
4.8 Đường kính ống dẫn hơi sản phẩm đáy hồi lưu: ............................................. 45
4.9 Tính đáy và nắp thiết bị:................................................................................. 46
4.10 Bích ................................................................................................................. 47
4.10.1 Chọn bích để nối các ống dẫn thiết bị ........................................................... 48

4.11 Trụ đỡ .............................................................................................................. 48
4.11.1 Tính khối lượng toàn bộ thân tháp ................................................................ 48
4.11.1.1 Khối lượng của đáy và nắp ..................................................................... 49
4.11.1.2 Khối lượng của thân tháp: ...................................................................... 49
4.11.1.3 Khối lượng cột chất lỏng trong tháp: ...................................................... 49
4.11.1.4 Khối lượng của bích ............................................................................... 49
4.11.1.5 Khối lượng của các đĩa : ( khi chưa đục lỗ) ............................................ 50
4.11.1.6 Tính tai treo ............................................................................................ 50
CHƯƠNG 5: TÍNH TỐN THIẾT BỊ PHỤ ............................................................ 51
5.1 Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu ........................................................................... 51
5.1.1 Tính lượng nhiệt trao đổi............................................................................. 52
5.1.2 Xác định hệ số truyền nhiệt K ..................................................................... 53
5.1.3 Xác định bề mặt của ống truyền nhiệt.......................................................... 57

6

5.1.4 Xác định ống truyền nhiệt của thiết bị gia nhiệt........................................... 57
5.1.5 Tính lại vận tốc, chia ngăn: ......................................................................... 57
5.2 BƠM VÀ THÙNG CAO VỊ.............................................................................. 58
5.2.1 Tính các trở lực ........................................................................................... 59
5.2.2 Tính chiều cao thùng cao vị so với đĩa tiếp liệu........................................... 63
5.2.3 Tính tốn các thơng số của bơm li tâm ........................................................ 63
5.3 Tính tốn thiết bị ngưng tụ đỉnh tháp................................................................. 64
5.3.1 Tính lượng nhiệt trao đổi............................................................................. 65
5.3.2 Xác định hệ số truyền nhiệt K ..................................................................... 65
5.3.3 Xác định diện tích bề mặt truyền nhiệt ........................................................ 68
5.3.4 Xác định số ống, cách sắp xếp ống trong thiết bị trao đổi nhiệt ................... 69
5.3.5 Đường kính trong của thiết bị...................................................................... 69
Kết Luận .................................................................................................................. 70
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................ 71

7

PHẦN 1. MỞ ĐẦU

1.1 Khái quát về chưng

Đồ án này nhằm giúp sinh viên biết vận dụng các kiến thức của mơn học “Q trình
và thiết bị cơng nghệ hóa học” và các mơn học khác vào việc tính tốn và thiết kế
thiết bị chính và một số thiết bị phụ trong hệ thông. Các kĩ năng sử dụng tài liệu tham
khảo (tìm, đọc tra cứu, ghi chép,..) cùng các kĩ năng tính tốn trình bày kết quả, vận
dụng các quy định để hoàn thiện bản vẽ kĩ thuật cũng được trau dồi. từ đó giúp sinh
viên nhìn nhận các vấn đề nói chung một cách có hệ thống và đặc biệt hiểu sâu sắc
hơn các nội dung trình bày trong đồ án để bổ sung các kiến thức, cải thiện kĩ năng
phục vụ cho công việc một kỹ sư tương lại
Nhiệm vụ của đồ án là tính tốn và thiết kế tháp chưng luyện loại đĩa lỗ có kênh chảy
chuyền làm việc liên tục ở áp suất khí quyển tách các hỗn hợp gồm hai cấu tử
nethanol- nước, với các yêu cầu: năng suất thiết bị tính theo hơn hợp đầu F= 4(kg/s),
nồng độ tính theo cấu tử dễ bay hơi trong: hỗn hợp đầu aF = 14 (% khối luợng), sản
phẩm đỉnh aP = 97 (% khối luợng); sản phẩm đáy aW = 1.8 (% khối luợng).
Chưng cất là phương pháp dùng để tách các hỗn hợp lỏng cũng như các hỗn hợp khí
– lỏng thành các cấu tử riêng biệt, dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong
hỗn hợp. Hỗn hợp này có bao nhiêu cấu tử ta sẽ thu được bấy nhiêu sản phẩm. Có
nhiều biện pháp chưng cất khác nhau như chưng cất gián đoạn, chưng cất liên tục,
chưng cất đơn giản, chưng cất đặc biệt. Trong đó, chưng luyện là phương pháp chưng
phổ biến nhất đang được ứng dụng rộng rãi trong thực tế và đem lại hiệu quả kinh tế
cao. Phương pháp chưng luyện này là một quá trình mà trong đó hỗn hợp được bốc
hơi một phần và ngưng tụ một phần nhiều lần. Quá trình chưng luyện được thực hiện
trong các tháp chưng luyện, có nhiều loại tháp chưng luyện như tháp chóp, tháp dĩa lỗ
khơng có ống chảy truyền, tháp đĩa lỗ có kênh chảy truyền, tháp đệm ... với áp suất

làm việc của thiết bị cũng có thể là áp suất cao, áp suất thường, áp suất thấp. Do thiết
bị rất đa dạng như vậy nên yêu cầu lựa chọn, thiết kế loại tháp phù hợp với các yêu
cầu kĩ thuật, cũng như đảm bảo tính kinh kế là cần thiết.
Tháp chung luyện loại đĩa lỗ thuộc loại chéo dòng, lâu đời và truyền thống. Tháp đĩa
lỗ có kênh chảy chuyền làm việc theo nguyên tắc ngược chiều. Nhờ ngưỡng chảy tràn
lỏng vào được đĩa và được phân bố đều lớp chất lỏng bằng chiều cao của ngưỡng
chảy tràn. Khí đi từ dưới lên trên sục vào lỗ, sục vào lớp chất lỏng. Do methanol dễ
bay hơi hơn H2O nên khi chưng luyện ta sẽ thu được sản phẩm đỉnh giàu CH3OH và
sản phẩm đáy giàu H2O hơn. Ưu điểm của tháp đĩa là hiệu suất truyền khối khá cao,
ổn định, ít tiêu tốn năng luợng. Tuy nhiên thì nó khó vận hành.
Theo “Sổ tay quá trình thiết bị trong Cơng nghiệp hóa học, tập 2” [2], bảng
XII.47 trang 350 và bảng XII.50 trang 351, thép CT3 đảm bảo các yêu cầu kĩ thuật để
chế tạo tháp chung luyện tách hỗn hợp Ch3Oh-H2O (để đảm bảo độ bền, có thể quét

8

thêm một lớp sơn chống gỉ bên ngồi với điều kiện khơng khí ẩm nhƣ ở Việt Nam).
Tuy nhiên trong đồ án vật liệu được chọn để chế tạo tháp là thép X18H10T do đảm
bảo cả các yêu cầu về kĩ thuật, tính thẩm mĩ, tính kinh tế, đảm bảo thời gian sử dụng
lâu dài.
1.2 Giới thiệu về hỗn hợp chưng

1.2.1 Rượu methanol

Tính chất vật lý của Methanol

 Màu sắc: Không màu, trong suốt.
 Có mùi đặc trưng.
 Rất nhẹ và dễ bay hơi.
 Tỷ trọng (so với nước): 0,799 ÷ 0,8

 Tan vô hạn trong nước.
 Rất dễ cháy, khi cháy có ngọn lửa màu xanh và khơng có khói.
Tính chất hóa học của Methanol
 Methanol là một chất lỏng phân cực và thường được sử dụng như một chất

chống đông, dung môi, nhiên liệu, và làm biến tính ethanol.
 CH3OH oxy hóa hồn tồn sẽ tạo thành khí cacbonic và nước, oxy hóa khơng

hoàn toàn sẽ tạo thành andehit formic
 2 CH3OH + 3 O2 → 2 CO2 + 4 H2O
 CH3OH tác dụng với kim loại sẽ tạo ra muối ancolat
 CH3OH tác dụng với axit vô cơ sẽ tạo ra este
 Uống nhầm có thể gây mù hoặc chết
 Tiếp xúc với Methanol có thể gây viêm da, phát ban, vảy nến
 Khi cháy tạp khói CO, CO2 hàm lượng cao, thậm chí có thể gây nổ (nhất là

đối với các thùng kín bị nung nóng).
CÔNG DỤNG CỦA METHANOL

 Methanol được biết đến như một chất rất độc ảnh hưởng đến sức khỏe của con
người. Tuy nhiên trong cuộc sống đặc biệt là trong cơng nghiệp thì ta khơng
thể phủ nhận được công dụng của nó như:

 Dung môi Methanol là nhiên liệu cho ngành giao thông vận tải, tạo metyl tert-
butyl ete để pha vào làm tăng tỉ số octan thay cho tetraetyl chì là chất gây ơ
nhiễm cho môi trường.

 Methanol là loại dung môi phổ biến sử dụng trong phịng thí nghiệm, đặc biệt
dùng để chạy sắc ký lỏng, nâng cap HPLC, chaỵ phổ UV-VIS.

 Methanol công nghiệp được dùng trong xử lý nước thải sinh hoạt, nước thải
công nghiệp

 Ứng dụng làm pin nhiên liệu cung cấp hydrogen
 Sử dụng phổ biến trong sản xuất formalin, andehit formic và axit axetic,..

9

 Methanol thường được dùng trong công nghiệp để làm chất chống đông lạnh,
làm dung mơi trong nước rửa kính xe, chất tẩy rửa sơn, mực in máy photo và
làm nhiên liệu cho các bếp lò loại nhỏ…

 Nó cũng được sử dụng để sản xuất diesel sinh học thông qua phản ứng xuyên
este hóa.

 Methanol có nhiệt độ bốc hơi thấp hơn rượu. Người làm rượu thường cho loại
cồn khô này vào khi chưng cất, khi pha rượu (từ cồn) hay chế rượu thuốc để
làm cho rượu chóng ra hơn, dậy mùi hơn, được gọi là “rượu biến tính”. Tuy
nhiên đây là phương pháp vô cùng nguy hiểm và độc hại cho người uống.

Điều chế
 Methanol là hóa chất lỏng và là nguồn năng lượng bắt nguồn từ khí thiên
nhiên, than, chất thải sinh học, và CO2.
 Methanol là sản phẩm phụ của quá trình chưng cất rượu và là chất lỏng đầu
tiên ngưng tụ khi rượu được nấu theo cách chưng cất truyền thống.
 Sau đây là 2 phương trình điều chế methanol

CH4 + O2 –Cu(200C,100atm)--> CH3OH
CO + H2 --> CH3OH

1.2.2. Nước
- Công thức phân tử: H2O
- Khối lượng phân tử: 18,015 g/mol
- Là chất lỏng, không màu, không mùi
- Một số thông số vật lý quan trọng (ở nhiệt độ 20oC):
+ Khối lượng riêng: 998,2 kg/m3
+ Nhiệt dung riêng: 0,99947 cal/kg.độ (ở áp suất khí quyển)
+ Độ nhớt động lực: 1,002.103 N.s/m2
+ Nhiệt lượng riêng: 839.10-2 J/kg
- Trong cơng nghiệp hóa học nước được dùng với nhiều mục đích khác nhau, vì vậy
các nhà máy hóa chất thường được đặt cạnh những nguồn nước. Có nhiều nguồn
nước khác nhau để cung cấp cho nhà máy như là nước trời, nước ngầm và nước bề
mặt. Mỗi loại nước sẽ có cách xử lý khác nhau phù hợp với quá trình sản xuất, chủ
yếu với các q trình chính là lắng, lọc, làm mềm, trung hịa, giải khí độc và sát trùng
nước.

1.2.3. Hỗn hợp rượu methanol – nước:
Dựa vào sổ tay hóa cơng (2-148) ta có thành phần cân bằng lỏng hơi của methanol-
nước cho theo bẳng sau

10

Bảng 1. 1 Cân bằng thành phần lỏng hơi Methanol – nước
Đồ án được hoàn thành với các phần chính:
Phần 1: Mở đầu: Giới thiệu tóm tắt mục đích đề tài, phương pháp cơng nghệ được
giao thiết kế, tính chất sản phẩm và ứng dụng
Phần 2: Sơ đồ, mô tả dây chuyền công nghệ
Phần 3: Phương pháp và các kết quả tính thiết bị chính với các nội dung chính: Tính
cân bằng vật liệu, xác định các thơng số của tháp (đường kính, chiều cao, trở lực, ...),
tính cân bằng nhiệt luợng,

Phần 4: Tính tốn cơ khí
Phần 5: Tính tốn các thiết bị phụ: thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu, bơm, thiết bị ngƣng
tụ hồi luu sản phẩm đỉnh.

11

PHẦN 2: SƠ ĐỒ, MÔ TẢ DÂY CHUYỀN
CÔNG NGHỆ

12

Hoạt động của dây chuyền sản xuất
Hỗn hợp đầu từ thùng chứa 1 được bơm 2 bơm liên tục lên thùng cao vị 3. Mức
chất lỏng cao nhất ở thùng cao vị được khống chế nhờ ống chảy tràn. Từ thùng
cao vị, hỗn hợp đầu qua thiết bị đun nóng dung dịch 4. Tại đây, dung dịch được
gia nhiệt bằng hơi nước bão hịa đến nhiệt độ sơi. Sau đó, dung dịch được đưa
vào tháp chưng luyện qua đĩa tiếp liệu
Tháp chưng luyện gồm hai phần: Phần từ đĩa tiếp liệu trở lên là đoạn luyện,
phần từ đĩa tiếp liệu trở xuống là của đoạn chưng
Như vậy, ở trong tháp, pha lỏng đi từ trên xuống tiếp xúc với pha hơi đi từ dưới
lên. Hơi bốc từ đĩa dưới lên qua các lỗ đĩa trên và tiếp xúc với pha lỏng của đĩa
trên, ngưng tụ một phần, vì thế nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng tang
dần theo chiều cao tháp. Vì nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong lỏng tăng nên nồng
độ của nó trong hơi do lỏng bốc lên cũng tang. Cấu tử dễ bay hơi có nheietj độ
sơi thấp hơn cấu tử khó bay hơi nên khi nồng độ của nó tang thì nheiejt độ sơi
của dung dịch giảm. Do đó, theo chiều cao của tháp nồng độ cấu tử dễ bay hơi
(cả pha lỏng và pha hơi) tang dần, nồng độ cấu tử khhos bay hơi (cả pha lỏng và
pha hơi) giảm dần và nhiệt độ giảm dần. Cuối cùng, ở đỉnh tháp ta sẽ thu được
hỗn hợp hơi có thành phần haaif hết là cấu tử dễ bay hơi còn ở dáy tháp ta sẽ thu
được hỗn hợp lỏng có thành phần cấu tử khó bay hơi chiếm tỷ lệ lớn. Để duy trì

pha lỏng trong các đĩa trong đoạn luyện, ta bổ sung bằng dòng hồi lưu ngưng tụ
từ hơi đỉnh tháp. Hơi đỉnh tháp dược ngưng tụ nhờ thiết bị ngưng tụ hoàn toàn 6,
dung dịch lỏng thu được sau khi ngưng tụ một phần được dẫn hòi lưu trở lại đĩa
luyện trên cùng để duy trì pha lỏng trong các đĩa đoạn luyện, phần còn lại được
đưa qua thiết bị làm lạnh 7 để đi vào bể chứa sản phẩm đỉnh 8. Chất lỏng ở đáy
tháp được tháo ra ở đáy tháp, sau đó một phần được đun sôi bằng thiết bị gia
nhiệt đáy tháp 9 và hồi lưu về đĩa đáy tháp, phần chất lỏng còn lại đưa vào bể
chứa sản phẩm đáy 10. Nước ngưng của các theiets bị gia nhiệt được tháo qua
thiết bị tháo nước ngưng 11
Như vậy thiết bị làm việc liên tục (hỗn hợp đầu đưa vào liên tục và sản phẩm
được đẩy ra liên tục).

13

CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN THIẾT BỊ CHÍNH

3.1 TÍNH TỐN CÂN BẰNG VẬT LIỆU TỒN THIẾT BỊ
Kí hiệu các đại lượng:
F: lượng nguyên liệu đầu (kmol/h)
P: lượng sản phẩm đỉnh (kmol/h)
W: lượng sản phẩm đáy (kmol/h)
xf: nồng độ mol cấu tử hỗn hợp dễ bay hơi trong hỗn hợp đầu
xp: nồng độ mol cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đỉnh
xw: nồng độ mol cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy

GIẢ THIẾT
+ Số mol pha hơi đi từ dưới lên là bằng nhau trong tất cả mọi tiết diện của tháp
+ số mol chất lỏng không thay đổi theo chiều cao của đoạn chưng vầ đoạn
luyện
+ Hỗn hợp đầu đi vào tháp ở nhiệt độ sôi

+ Cấp nhiệt ở đáy tháp bằng hơi đốt gián tiếp
+ Chất lỏng ngưng tụ trong thiết bị ngưng tụ có thành phần bằng thành phần
của hơi đi ra ở đỉnh tháp

YÊU CẦU THIẾT BỊ

F: Năng suất thiết bị tính theo hỗn hợp đầu = 4 (kg/s)
Thiết bị làm việc ở áp suất thường (P = 1 at)
Tháp chưng loại: Tháp đĩa lỗ có ống chảy truyền

ĐIỀU KIỆN :

aF: nồng độ methanol trong hỗn hợp đầu = 14% phần khối lượng
aP: nồng độ methanol trong sản phẩm đỉnh = 97% phần khối lượng
aw: nồng độ methanol trong sản phẩm đáy = 1.8% phần khối lượng
MA: khối lượng phần tử methanol = 32(kg/mol)
MB: khối lượng phân tử nước = 18 kg/mol

ĐỔI PHẦN KHỐI LƯỢNG SANG PHẦN MOL

xf = 𝑎𝑓/𝑀𝑎 = 14/32 = 0.084 phần mol

𝑎𝑓/𝑀𝑎+(100−𝑎𝑓)/𝑀𝑏 14/32+(100−14)/18

xp = 𝑎𝑝/𝑀𝑎 = 97/32 =0.948 phần mol

𝑎𝑝/𝑀𝑎+(100−𝑎𝑝)/𝑀𝑏 97/32+(100−97)/18

xw = 𝑎𝑤/𝑀𝑎 = 1.8/32 = 0.0102 phần mol

𝑎𝑤/𝑀𝑎+(100−𝑎𝑤)/𝑀𝑏 1.8/32+(100−1.8)/18

14

TÍNH KHỐI LƯỢNG MOL TRUNG BÌNH:
Áp dụng công thức: M= x.MA+(1-x). MB
Ta có:
MF =0.084*32+(1-0.084) *18=19.176 (kg/kmol)
MP =0.948*32+(1-0.948) *18=31.272 (kg/kmol)
MW = 0.0102*32+(1-0.0102) *18= 18.1428 (kg/kmol)

3.1.1 Cân bằng vật liệu:
Hỗn hợp đầu vào F (methanol- nước ) được phân tách thành sản phẩm đỉnh P
(methanol) và sản phẩm đáy W ( nước ). Ở đĩa trên cùng có 1 lượng lỏng hồi
lưu, ơ đáy tháp có thiết bị đun sôi. Lượng hơi đi ra từ đỉnh tháp D0

Hình 3. 1 Sơ đồ hệ thống chưng
Phương trình cân bằng vật liệu
GF = GP + GW
Trong đó:
GF là lượng hỗn hợp đầu đi vào tháp (kg/h)
GP là lượng saen phẩm đỉnh (kg/h)

15

GW là lượng sản phẩm đáy (kg/h)

Phương trình cân bằng vật liệu cho cấu tử dễ bay hơi (METHANOL)

GF. aF = GP. aP + GW. aW

Theo đề bài:

Lượng hỗn hợp đầu:
GF = 4 (kg/s) = 14400 (kg/h) =14400 = 750.938 (kmol/h)

19.176

Lượng sản phẩm đỉnh:

GP = GF. 𝑎𝐹−𝑎𝑊 = 14400. 14−1.8 =1845.37 (kg/h)
𝑎𝑃−𝑎𝑊 97−1.8

GP = 1845.37 =59.01 (kmol/h)

31.272

Lượng sản phẩm đáy:

Gw = GF. 𝑎𝑃−𝑎𝐹 = 14400. 97−14 =12554.62 (kg/h)
𝑎𝑃−𝑎𝑊 97−1.8

Gw=12554.62 = 691.989( kmol/h)

18.1428

3.1.2 Tính chỉ số tối thiểu
Dựa vào sổ tay hóa cơng (2-148) ta có thành phần cân bằng lỏng hơi của methanol-

nước cho theo bẳng sau

Bảng 3. 1 Cân bằng lỏng hơi nước-Methnol

16

Hình 3. 2 Đồ thị YX xác định số đĩa lý thuyết

Hình 3. 3 Đồ thị YX xác định 𝑿𝑭 và 𝒀∗𝑭
Với giá trị xF=0.084 phần mol ta kẻ đường song song với trục y và cắt đường
cân
bằng, từ đó ta kẻ dường song song với trục x cắt y tại B và ta xác định được:
y*F= 0.37. từ đó ta tính được Rmin
Hoặc
Ap dụng công thức nội suy
Y=yA+ (x-xA)* 𝑦𝑏−𝑦𝑎

𝑋𝑏−𝑋𝑎

T=t°𝑎 + (𝑥 − 𝑥𝑎) ∗ 𝑡°𝑏−𝑡°𝑎

𝑋𝑏−𝑋𝑎

Hỗn hợp đầu F có xF= 0.084 phần mol
17

Theo bảng 1 ta có

A: Ya= 26.8 %mol, Xa= 5 %mol, t°a= 92.3℃

B:Yb=41.8 %mol, Xb= 10 %mol, t°b=87.7℃

Y=yA+ (xF-xA)* 𝑦𝑏−𝑦𝑎 = 0.268+ (0.084-0.05)* 0.418−0.268 =0.37 phần mol
𝑋𝑏−𝑋𝑎 0.1−0.05
T=t°𝑎 + (𝑥𝑓 − 𝑥𝑎) ∗ 𝑡°𝑏−𝑡°𝑎 = 92.3+ (0.084-0.05)* 87.7−92.3=89.172 ℃
𝑋𝑏−𝑋𝑎 0.1−0.05

Bảng 1.1

SP X phần mol y* phân mol t
89.172
F 0.084 0.37 65.28
98.152
P 0.948 0.9782

W 0.0102 0.0546

Bảng 3. 2 Tính tốn X và 𝒀∗
Rmin= 0.948−0.37=2.02

0.37−0.084

3.1.3 Tính chỉ số hồi lưu thích hợp

Chỉ số hồi lưu làm việc thường được xác định thông qua chỉ số hồi lưu tối

thiểu R= 𝛽. Rmin

Trong đó :𝛽 : hệ số dư hay hê số điều chỉnh

Tính gần đúng ta lấy chỉ số hồi lưu làm việc bằng

R = (1.2- 1.5) Rmin

Ta biết Rmin cho β biến thiên bất kì trong khoảng (1.2- 1.5), tính được R tương

ứng . Ở mỗi R tương ứng ta sẽ vẽ đường làm việc và vẽ các bậ thay đổi nồng

độ lý thuyết N.

Dưới đây là các đồ thị số đĩa lí thuyết trên cơ sở đường cân bằng, xP, xF, xW.

Đường làm việc đoạn luyện đi qua các điểm ( xP, yP) và cắt trực tung có điểm
B= 𝑥𝑃 , đường làm việc đoạn chưng đi qua giao điểm của đường làm việc

𝑅+1

đoạn luyện với đường xF = const và điểm ( xW, yW). Vẽ các tam giác như hình

ta thu được số đĩa lý thuyết.

Phương trình đoạn chưng
Y=𝑅+𝑓x + 𝑓−1xw

𝑅+1 𝑅+1

Phương trình đoạn luyện
Y= 𝑅 x + 𝑥𝑝

𝑅+1 𝑅+1

18

Β=1.2, R=1.2Rmin =2.424; B = 0.277 ; N= 11.7
Hình 3. 4 Đồ thị y-x xác định số đĩa lý thuyết

β=1.4, R=1.4Rmin =2.82; B = 0.248; N= 9.8
Hình 3. 5 Đồ thị y-x xác định số đĩa lý thuyết

19

β=1.6, R=1.6Rmin =3.232; B = 0.224; N= 9.6
Hình 3. 6 Đồ thị y-x xác định số đĩa lý thuyết

β=1.8, R=1.8Rmin =3.636; B = 0.2045; N= 8.6
Hình 3. 7 Đồ thị y-x xác định số đĩa lý thuyết

20