Thiết kế tháp mâm chóp chưng cất hỗn hợp benzen toluen có năng suất 200 lh tính theo sản phẩm đỉnh

ĐAMH Quá trình & Thiết bị GVHD : Phan Dinh Tuan

BO GIAO DUC VA DAO TAO CONG HOA XA HOI CHU NGHIA VIET NAM
TRUONG DAI HOC BACH KHOA Độc lập — Tu do — Hạnh phúc

ĐỒ ÁN Thành phố Hồ Chí Minh

Khoa: Cơng nghệ Hóa & Thực phẩm
Bộ mơn: Q trình và Thiết bị

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
1. Đầu dé đồ án: Thiết kế tháp mâm chóp chưng cất hỗn hợp Benzen - Toluen

có năng suất 200 I/h tinh theo sản phẩm đỉnh

2. Nhiệm vụ (nội dung yêu cầu và số liệu ban đầu):
- Nông độ nhập liéu: % = 40%phần khối lượng

- Nồng độ sản phẩm đỉnh: *p = 98% phần khối lượng

- Nồng độ sản phẩm đáy: *w = 1% phần khối lượng

Nguồn năng lượng và các thông số khác tự chọn

3. N6i dung các phần thuyết minh và tính tốn:

Xem ở phần mục lục
4. Cac ban vé và đồ thị (loại và kích thước bản vẽ):

Gồm 2 bản vẽ A1: bản vẽ quy trình cơng nghệ và bản vẽ chi tiết thiết bị
5. Ngày giao đồ án: 6/10/2009

6. _ Ngày hoàn thành đồ án: 18/01/2010
7. Ngày bảo vệ hay chấm: 25/01/2010

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN Ngày 6 tháng 10 năm 2009

(Ký và ghi rõ họ tên) NGƯỜI HƯỚNG DẪN

(Ký và ghi rõ họ tên)

Trang 1

ĐAMH Quá trình & Thiết bị GVHD : Phan Dinh Tuan

aR «7

NHAN XET DO A

Cán bộ hướng dẫn. Nhận xét:

Điểm tổng kết:

Trang 2

ĐAMH Quá trình & Thiết bị GVHD : Phan Dinh Tuan

LOI MO DAU

Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển đóng góp to lớn cho nền cơng
nghiệp nước ta nói riêng và thế giới nói chung. Một trong những ngành có đóng
góp vơ cùng to lớn đó là ngành cơng nghiệp hoá học, đặc biệt là ngành sản xuất
các hoá chất cơ bản.

Hiện nay, các ngành công nghiệp cần sử dụng rat nhiều hố 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,
cơ đặc, hap thu... Tuy 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 cầu tử tan lẫn vào
nhau, ta chọn phương pháp chưng cất đề nâng cao độ tinh khiết cho benzen.

Đồ án mơn học Q trình & Thiết bị là một mơn học mang tính tổng hợp
trong q trình học tập của các kỹ sư Cơng nghệ Hố học tương lai. Mơn học
này giúp sinh viên có thể tính tốn cụ thể : quy trình cơng nghệ, kết câu, 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 tông hợp.

Nhiệm vụ của đỗ án là thiết kế tháp mâm chóp dé chưng cất hỗn hợp

Benzen — Toluen ở áp suất thưởng với năng suất theo sản phẩm dinh(Benzene)
la 200 lit/h có nông độ 98% phan khối lượng benzen, nồng độ sản phẩm đáy là
99% khối lượng Toluene,Nông độ nhập liệu là 40% khối lượng Benzene, nhập
liệu ở trạng thái lỏng sôi.

Trang 3

ĐAMH Quá trình & Thiết bị GVHD : Phan Dinh Tuan

MUC LUE

Loi mo dau esoesoeesosessoceöesocesocegeecesocegsoeceesoess6eosesoceeoocesocg66cesocegsoecesesoessesoeeöesoesocegoecesocesesoeeseeesedee 3

CHƯƠNG I1 : TƯNG QUAIN ..............<.2 .2-5.-5...%.5..9 .g..9...3..3.e..2e .2esè 4

I. LY thuyet vé CHUNG Cit s.rssccsccessssssssseescsssrsssecvesssseesssssesevssssecssecessescsssssescosssecsceees 5

H. Giới thiệu sơ bộ vỀ gHÊT ÌÏỆH..................oe so co RE Ee ưgeEEeEeEseesieeeessee 7

CHƯƠNG 2 : QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ. .....................<.5.s.5.2...se.se.s.s=.ss.se-s°es-ee 9

IL. CHƯƠNG 3 : CÂN BẰNG VẬT CHẤTT........................2.£ .e.22.cv.cv.az.rs-ssd 10
Các thông số ban đu. .....................se-se-nS-se.S SeE-cSoS9-S5cESeESs5EcSssSSe5c0s555s85e05s556 10
II. Xác định suất lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy thu được ................... 10
II. Xác định ti số hoàn lướt làImL VIỆC ..................... .....c- Go neo 11

IV. Xác định phương trình đường làm việc —- Số mâm lý thuyết........................... 13

Vv. Xác inh SO MAM thu bE cicccccccccsecccsecccsscccssccscscessececsscccssscececssccsssscsssseessevsees 14

CHƯƠNG 4 : TINH TOAN THAP CHUNG CAT.....csssssssssssssssssnsessssssssecssasseesssese 16

I. Đường kính dogn Catt v.scccsccssccsossssssssssssssssssssssesssscssessesssssssssesssssesssceseesnsvevereeve 16

IT, Đường kính COGN CHƯIG,.............cccc

ITT. TG [eC CUA HhAP.rccrsessercrscsersscssessrcrsccccsscecessssssscssecscccscesssscessssscssscssessccssesseeses 20
CHUONG 5 : CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG.................... svvsseceeccncesnnnsssssseneeceeesnasess 22
L Cân băng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ sản phẩm đHÏh.................«eeeseseese 22
IL. Can bằng nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt nhập liỆM................ececseseseeesesesese 22
Ill. Can bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đáy............--eeceesceesess 22
IV. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh....................---«- 22

V, Nhiệt lượng cung cấp cho dáy tháp K4 96006 09966.89909998069949908909996699900009099906006 00660009900 23

I. CHƯƠNG 6: TÍNH TỐN CƠ KKHÍ.................5 5.-5.5.5 s.52.S.2 S.2 .S2 .s5..S5.59.5.55.95.959o52 24
Tính tốn thân (HÁP..............eceeseeesesssseseseS.98888868888686898888088996000008800889000900666888900 24
II. Tính tốn chóp........... 0898580000090501000000000000010000000000050000000000000010.000089 24
III. Tính tốn đáy nap thiet Dy .........ssscsescecccccccccccsssccssnssccccseccccceccccsansccssnnccccsseceeeees 25
IV. Bích ghúp thân............ t1 01000868080000005 T100 98000000140008000000050000000000000000000000001R 26
V. Đường kính các ơng dân — Bích ghé) Ơng ẪH............-eeesseesssesessseeSeeeeSeeeseseese 28
VỊ. Chân đỡ - ÍdÍ ÍT€O..........ccce << css S9 SSS99898866886888868866088805588600000000055550080000000008600 31

L CHƯƠNG 7 : TÍNH TỐN THIẾT BỊ PHHU............................-.2--c-s<-ccss©ccsseeeccss 33
Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh..................S.T......H..H....gi.e.o.r-ệu 33
II. Thiét bi dun sGi Ady thdp icccccccsccscsssscssccsscsscssccssccssesscssccsscssscsscssscsssssscsacesssease 36
HI. Thiết bị làm nguội sản phiẩTm. đÌTLÏ:........G ....B .........ty.n.h ..n.g .co 39
IV. Thiết bị làm nguội sản pÌhẩÏTT: LỄ y........- ....H ..y .....t.t..sng -co 43

V. Thiét bi dun sOi nhéip ViGWe.ssssssscssscsssssssecssesssessscsessescosscssscesssssevecsssessssecssecsceres 47

VI. BỒN CO VỆ,............. .c- << k4 H9 9.0903.090 0 090 006 009. 000 0 0 9 9 99 909.09 440 50
VII, TĐƠTHH.......c< co S666 S106 nhe HỊ8999990.0008000660055888889909999909900006660555888898009999909900666666555888 52

ĐAMH Quá trình & Thiết bị GVHD : Phan Dinh Tuan

Kết luận..................... co 0G G0... 9. 9...9. 9... 3.1 855.075 098.1595.288 5585 65056958885 54
(i80) /i.60:i 7112108 ............................. 54

Trang 5

ĐAMH Quá trình & Thiết bị GVHD : Phan Dinh Tuan

Chuone 1: TONG QUAN

I. LY THUYET VE CHUNG CAT:

1. Khainiém:

- Chung ct 1a qua trinh ding dé tach cdc câu tử của hỗn hợp lỏng cũng như hỗn hợp

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 cầu tử khác nhau).

- Thay vì đưa vào trong hỗn hợp một pha mới để tạo nên sự tiếp xúc giữa hai pha
như trong q trình hấp thu hoặc nhá 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 q trình chưng cất dung mơi và chất tan đều bay hơi (nghĩa là các cầu
tử đều hiện diện trong cả hai pha nhưng với tỷ lệ khác nhau), cịn trong q trình cơ đặc thì

chỉ có dung mơi bay hơi cịn chất tan không bay hơi.

- Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu được

báy nhiêu sản phẩm. Nếu xét hệ đơn giản chỉ có 2 cẫu tử thì ta sẽ thu được 2 sản phẩm :

-- Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt độ sơi nhỏ)
= San pham đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi nhỏ (nhiệt độ sôi lớn)

-_ Đối với hệ Benzen — Toluen
= San pham đỉnh chủ yếu gồm benzen và một ít toluen.
-_ Sản phẩm đáy chủ yếu là toluen và một ít benzen.

2. Phương pháp chưng cất :
Các phương pháp chưng cất được phân loại theo :
- Ap 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 cầu 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
= Chung cat

-_ 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 bị chưng cất:

Trong sản xuất, người ta 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 nghĩa là diện tích
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 ta có tháp chêm, tháp phun, ...Ở đây ta khảo sát 2 loại thường dùng là tháp mâm
và tháp chêm.

Trang 6

ĐAMH Quá trình & Thiết bị GVHD : Phan Dinh Tuan

- Thap mam : than thap hinh tru, thang dig phia trong cd gan cdc mâm có cấu tạo
khác nhau, trên đó pha lỏng và pha hoi dug cho tiêp xúc với nhau. Tuỳ theo cầu tạo của đĩa, ta
CÓ :

- _ Tháp mâm chớp : trên mâm bố trí có chóp đạng trịn, 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.

So sánh ưu nhược điểm của các loại tháp :

Ư Tháp chêm bân Tháp mâm xuyên lỗ | Tháp chóp
- Câu tạo khá đơn giản. của - Trở lực tương đôi thấp. | - Khá Ôn định.
điểm

- Trở lực thấp. hiệu | - Hiệu suất khá cao. - Hiệu suất cao.
Nhược | vận | - Không làm việc được | - Có trở lực lớn.
điểm - Làm việc được với chất lỏng tăng
nêu dùng đệm câu có p ~ p tăng với chất lỏng bản. - Tiêu tốn nhiều
chất lỏng.
- Kết cấu khá phức tạp. vật tư, kết cấu
- Do có hiệu ứng thành —>
phức tạp.
suất truyền khối thấp.

- Độ én định khơng cao, khó

hành.
- Do có hiệu ứng thành —> khi
năng suất thì hiệu ứng thành

—> khó tăng năng suất.

- Thiết bị khá nặng nề.

Vậy :qua phân tích trên ta sử dụng tháp mâm chóp để chưng cất hệ Benzen — Toluen.

II. GIỚI THIÊU VỀ NGUYÊN LIÊU :

1. Benzen & Toluen :
Benzen: là một hợp chất mạch vòng, ở dạng lỏng khơng màu và có mùi thơm nhẹ.Cơng thức
phận tử là CạHạ. Benzen khơng 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 môi.
Tuy nhiên sau đó người ta phát hiện ra rằng nồng độ benzen trong khơng khí chỉ cần thấp
khoảng [ppm cũng có khả năng gây ra bệnh bạch câu, nên ngày nay benzen được sử dụng hạn

chế hơn
Các tính chất vật lí của benzen:

o_ Khối lượng phân tử: 78,11
o_ Ti 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 vịng,ở đạng lỏng và có tính thơm ,cơng thức phân tử tương tự
như benzen có găn thêm nhóm -CH:. Khơng phân cực,do đó toluen tan tốt trong
benzen.Toluen có tính chất dung mơi tương tự benzen nhưng độc tính thấp hơn nhiều, nên
ngày nay thường được sử dụng thay benzen làm dung mơi trong phịng thí nghiệm và trong
cơng nghiệp.

Các tính chất vật lí của toluen:
o_ Khối lượng phân tử : 92,13

o Titrong (20°C) : 0,866
o_ Nhiệt độ sôi: 111”C

Trang 7

ĐAMH Quá trình & Thiết bị GVHD : Phan Dinh Tuan

o_ Nhiệt độ nóng chảy : -95 °C thể thu
Các phương thức điều chê : thơm ở
Pt

oO Đi từ nguồn thiên nhiên
Thông thường các hidrocacbon ít được điều chế trong phịng thí nghiệm, vì có
được lượng lớn nó bằng phương pháp chưng cất than đá, đầu mỏ...
Đóng vịng và dehrro hóa ankane
Các ankane có thể tham gia đóng vịng và dehidro hóa tạo thành hidro cacbon
nhiệt độ cao và có mặt xúc tác như Cr;Oa, hay các lim loại chuyển tiếp như Pd,

CH:(CH;)4CHạ _“22/422_. CoH,
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 chuyển tiếp tạo thành benzen hay các dẫn xuất cảu benzen

CeH¿ —“#—; CạẳHs
Di tir acetylen
Dun acetane trong sự có mặt cảu của xúc tác là than hoạt tính hay phức của niken như
NI(CO)[(CeH:)P] sẽ thu được benzen

3C2H, —*> CoHe
Từ benzen ta có thể điều chế được các dẫn xuất của benzen như toluen bằng phản ứng
Friedel-Crafts (phản ứng ankyl hóa benzen bằng các dẫn xuất ankyl halide với sự có
mat cau xuc tac AIC]; khan
CeHs + CH3- Cl —““» C¢Hs-CHs
2. Hon hop benzen — toluen :
Ta có bảng thành phân lỏng (x) — hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Benzen —
Toluen 6 760 mmHg.(Tham khao STT1)
x (% phan mol) | 0 5 10 20 30 |40 |50 |60 |70 |80 |90 | 100
y (% phân mol) | 0 11,8 |214 |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

Trang 8

ĐAMH Quá trình & Thiết bị GVHD : Phan Dinh Tuan

Chươn2g:

QUY TRÌNH CƠNG 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 q trình chưng cất.
Lưu lượng dịng nhập liệu được kiểm soát qua lưu lượng kế (14).

Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phan lỏng từ đoạn luyện của tháp chảy
xuống. Trong tháp, hơi đi đưới lên gap lỏng đi từ trên xng. Ở đây có sự tiếp xúc và trao đôi
giữa hai pha với nhau. Pha lỏng chuyển động trong phần chưng. càng xng phía dưới cảng
giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi tạo nên từ nơi đun (10) lôi cuốn cầu tữ dễ
bay hơi. Nhiệt độ càng lên trên càng thấp, nên khi hơi đi qua các đĩa từ dưới lên thì cầu tử có
nhiệt độ sôi cao là toluen sẽ ngưng tụ lại, cudi cung trén dinh thap ta thu duge hỗn hợp có cầu
tử benzen chiếm nhiều nhất (nồng độ 98% phan khối lượng). Hơi này ổi vào thiết bị ngưng tụ
(7) được ngưng tụ hoàn toàn. Một phan chat long ngung ty di qua thiét bị làm nguội sản phẩm
đỉnh (8), được làm nguội bang thiết bị trao đổi nhiệt ống lông ống(8) rồi được đưa qua bồn
chứa sản phẩm đỉnh (9). Phần còn lại của chất lỏng ngưng tụ được hoàn lưu về tháp ở đĩa trên
cùng với tỉ sơ hoản lưu thích hợp và được. kiểm soát bằng lưu lượng kế(5). Cuối cùng ở đáy
tháp ta thu được hỗn hợp lỏng hầu hết là cầu 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 phân sẽ bốc hơi cung cấp lại cho

thấp để tiếp tục làm việc, phần còn lại ra khỏi nồi đun được cho qua thiết bị làm nguội sản

phâm đáy (13) rồi đi vào thiết bị làm nguội sản phẩm đáy(13) sau đó vào bồn chứa sản phẩm

đáy(12).
Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là Benzen, sản phẩm đáy là Toluen

Trang 9

ĐAMH Quá trình & Thiết bị GVHD : Phan Dinh Tuan

Chương 3 :

CAN BANG VAT CHAT

I. CAC THONG SO BAN DAU :

Chọn loại tháp là tháp mâm chóp.
Khi chưng luyện hỗn hợp Benzen - Toluen thì cấu tử để bay hơi là Benzen.
Hỗn hợp: | Benzen: C,H, => M, =78 g/mol

Toluen: C,H,CH, => M, =92 g/mol

“ Năng suất sản phẩm đỉnh : D = 2001/h
= Néng d6 nhap liéu : xp = 40% phân khối lượng
= Néng dé san phẩm đỉnh : xp = 98% phân khối lượng
= No6ng d6 san phim day: xw = 99% phân khối lượng

= Nhiét dé nhap liéu: nhập liệu ở trạng thái lỏng sôi
= Chon:

VY Nhiét d6 nhap liệu: try = 94°C

*_ Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi lam ngudi: twr = 35°C
*« Nhiệt độ dịng nước lạnh đi vào: ty = 30°C
v Nhiệt độ dòng nước lạnh di ra: tg = 40°C

"Các ký hiệu:

v Ƒ,E: suất lượng nhập liệu tính theo kg/h, kmol/h.
D,D: suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo kg/h, kmol/h.

Y W,W: suat lượng sản phẩm đáy tính theo kg/h, kmol/h.

v Xi, Xi: ndéng d6 phần mol, phần khối lượng của cấu tử ¡.

II. XÁC DINH SUAT LUGNG DONG NHAP LIEU VA DONG SAN PHAM

DAY:

Mp =xp.Mg + (1-xr).Mr= 0,4.78 + (1-0.4).92 = 86.4 kg/kmol

Mp =Xp.Mg + (1- Xp).Mr = 0,98.78 + (1-0,98).92 = 78.28 kg/kmol

Mw =xw.Mp + (1- xw).Mr = 0,01. 78 + (1-0,01).92 =91,86 kg/kmol

XR = 0,4 0,4 = 0,44

M, 78 78

x, =— 3 — 1-0,4

ự Xp lox;
92
M, M,

XW 0,01

xy =—— 2 —=__ Tổ — 9 912
Sy, Ixy 001,1-001
M, M, 78 92

Trang 10

ĐAMH Quá trình & Thiết bị GVHD : Phan Dinh Tuan

Dong san pham dinh cé nhiét d6 80°C nén ta có khối lượng riêng của dịng này:

Op = 815 kg/m3, pr = 805 kg/m”

} ~*p „1~Xp > ø; =809kg/m
Pp Ps Pr

> D=V,.p, =0,2.809 =161,8kg/h

> D=-?” =2,07kmol/ h
M D
: , |F=D+W
Phương trình cân băng vật chât: 4 _ _ iy —_
Px, =DxX,+Wxy

F = 402,4 kg/h W =240,6kg!h W = 240,6 kg/h

F = 4,87 kmol/h W.=2,8kmol!h W = 2,8 kmol/h

xX, =0.4 F =402.4kg/h x„ =0,01
x, = 0.44 x„ =0,012
F =4,87kmol/h

D= 161,8 kg/h
D =2,07 kmol/h

x; = 0,98
x, = 0,983

II. XÁC ĐỊNH CHỈ SỐ HỒI LƯU THÍCH HỢP :

* Chỉ số hôi lưu tối thiểu :
TỈ số hoàn lưu tối thiểu là chế độ làm việc mà tại đó ứng với số mâm lý thuyết

là vô cực. Do đó, chi phí cố định là vơ cực nhưng chi phí điều hành (nhiên liệu,
nước và bơm...) là tối thiểu.

Trang 11

ĐAMH Quá trình & Thiết bị GVHD : Phan Dinh Tuan

100
90
80
70
60
50

40
30
20
10

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Hình 1: Dé thi cdn bằng pha của hệ Benzen — Toluen tai P = latm

Dựa vào hình 1 ta co xp = 0,44> Yr = 0,643

Ti sO hoan lu t6i thigu; R,,, =~2— YF = 9:783—0,04.3 _ 1 6g
Vr —~*Xp 0,643—0,44

Tỉ số hoàn lưu làm việc tính theo cơng thức kinh nghiệm: R = 1,5R„¡a = 1,5.1,68 = 2,52
Theo Phương pháp thể tích tháp nhỏ nhất ta có: V = S.H

Với S — diện tích tiết điện 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 hồn lưu hay S§ tỉ lệ với R.

Chiều cao tháp tỉ lệ với số đĩa lý thuyết Nụ,. Vậy thể tích tháp tỉ lệ với giá trị Nị.(R+1). Lần

lượt cho các giá trị R và tìm thể tích tháp, ứng với giá trị nào nhỏ nhất của thể tích tháp thì R
đó là tỉ số hồn lưu tối ưu.

R 5 4.5 4 3.5 3 2.5 2

Nụ 12 13 14 16 15 15 18
(R+1).Nit| 72 71.5 70 72 60 52.5 54

Biêu diễn trên đồ thị:

Trang 12

ĐAMH Quá trình & Thiết bị GVHD : Phan Dinh Tuan

75 ( R+1 ).Nu xz~*

70 /

65 /

60 “@
55 7

50 SS

45
40

Theo đồ thị trên ta chọn giá trị tỉ số hồi lưu thích hợp R = 2,48

IV. PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LÀM VIỆC - SỐ MÂM LÝ THUYẾT:
1 . Phương trình đường làm việc của đoạn cất:
y= R x+ Xp = 2,48 x+ 0,983
R+1 NI 2,48+1 2,484+1

= 0,771.x + 0,284

2. Phương trình đường làm việc phần chưng:

-Phương trình đường làm việc của phần chưng

ya htt x - FA) hy =1,37x -0.0044
R+1 R+1
với f= 222m _0983- 0,012 _, 4,
Xp—Xy 0,44-0,012 -

Trang 13

ĐAMH Quá trình & Thiết bị GVHD : Phan Dinh Tuan

100 ZZ
90 ˆ 7 Zt
B0
4 < cổ)
70
Fel
8ä

0 Z

40

30 5 x

10 20 23J 4Ð 510 60 70 80 0 100

Hình 2: Đồ /hj xác định số mâm lý thuyết chưng hệ Benzen — Toluen tại P = latm

3. Số đĩa lý thuyết :
Đô thị xác định sô 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 số
đĩa lý thuyết là14.56 đĩa, ta lẫy tròn 15
Từ đồ thị, ta có : 15 đĩa bao gồm : 6 mâm cất

1 mầm nhập liệu

6 mâm chưng (5 mâm chưng + 1 nồi đun)
Tóm lại, số đĩa lý thuyết là Nụ = 15 mâm.

V. XÁC ĐỊNH SỐ MẦM THỰC TẾ: của thiết
thiết bị
có nhiều phương pháp xác định số mâm thực của tháp, ngoại trừ các ảnh hưởng
kê cơ khí tháp thì ta có thê xác định sơ mâm thực dựa vào hiệu suất trung bình:

N; = Ni/TÌtb số đĩa lý thuyết, rịy — hiệu suất trung bình của
thay đôi nông độ, n
Trong đó: N, — số đĩa thực tế, Nụ - X
Ne = , — +; +, +....+H n
- sơ vị trí tính hiệu st
H
Trong đó n¡ - hiệu suât của các bậc
Trong trường hợp này ta tính

Trang 14

ĐAMH Quá trình & Thiết bị GVHD : Phan Dinh Tuan

Nib = 3
V6i np n, m„ - lần lượt là hiệu suât ở đĩa trên cùng, hiệu suat 6 đĩa nhập liệu và hiệu suât

ở đĩa dưới cùng
- Xác định ø„

ta có: Ta(nhiệt độ đỉnh tháp) = §0°C, xp = 0,983 suy ra yp = 0,994 sử dụng bảng I.101

trang 91 STTI tra và nội suy các giá trị độ nhớt tp = 0,316.10 N.s/m”, pr = 0,319.10°

N.s/nỶ.

Độ nhớt của hỗn hop lg pin = xp.lgup — (1- xp).lg pr (theo công thức I.12 trang 84

[5]) > pan = 0,316. 10° N.s/m? (= 0.316cP)
Và độ bay hơi tương đối œ = y 1-x _ 0,994 1-0.983 _ 2.87

l-y x I-0.994 0.983
> ơ. tp = 2,87.0,316 = 0,905, theo hinh IX.11 trang 171 thì z„= 0,53

-_ Xác định ø„, tương tự như trên †a có:

Tr(nhiệt độ đĩa nhập liệu) = 94C, x; = 0,44 suy ra yp = 0,643 sử dụng bảng I.101 trang

91 [5|tra và nội suy các giá trị độ nhớt yg = 0,277.10" N.s/m’, ur = 0,291.10" N.s/m’.

Độ nhớt của hén hop lg pan = Xp.lglip — (1- xp).Ìg tr (theo công thức L12 trang 84

STT1) > un, = 0,293. 10° N.s/m’ (= 0,293 cP)
Và độ bay hơi tương đối œ = y I-x_ 0643 1-044 -229

l-y x 1-0.643° 0.44

> O. Unn = 2,29.0,293 = 0,672, theo hình IX.Í1 trang 171 thì ø„ = 0,58

- Xác định zø:„, tương tự như trên ta có:

T„(nhiệt độ đĩa đưới cùng) = 110C, x„ = 0,012 suy ra yp = 0,065 sử dụng bảng I.101
trang 91 |5] tra và nội suy các giá trị độ nhét pp = 0,239.10° N.s/m’, wr = 0,250.10"

N.s/m7”.

Độ nhớt của hỗn hợp lg tu = xp.lgup — (1- xp).lg pr (theo cong thitc 1.12 trang 84
[5]) > tu = 0,249. 10” N.s/m” (= 0,249 cP)
Và độ bay hơi tương đối œ = y I-x_ 00865 1-0012 _„1„

l-y x 1-0.0365 0.012 °
> a. Lin = 3,12.0,249 = 0,777, theo hinh IX.11 trang 171 thi n, = 0.62

Nth = nọ tp ty _ 0,33+0,58+062 _ 0.5833

Suy ra sô mâm thực :
N: = Nu/N = 15/0,58 = 25,8 lay tron 26 mam

Trang 15

ĐAMH Quá trình & Thiết bị GVHD : Phan Dinh Tuan

Chuong 4: CHUNG CAT

TINH TOAN THAP

* Dudng kinh thap chưng cất (D)) :

AV - = 0,0188 j_ Se — (m)
7.3600.0,, (P,.O,)5

Vip :lugng hai trung bình di trong tháp m”/h.

œ¿p :tốc độ hơi trung bình đi trong tháp m⁄s.

Øœ : lượng hơi trung bình đi trong tháp Køz/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.
L Đường kính đoạn cất :

1. Lượng hơi trung bình đi trong tháp ở đoạn cất:

g,= ... kg/h

øa : lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp kg/h

ø¡ : lượng hơi ổi vào đĩa dưới cùng của đoạn cất kg/h

e Xac dinh ga:

ga= D.(R+1) =2,07.(2,48+1) = 7,204 kmol/h
= 563,93 kg/h

(Vì Mụp =78.yp+(1-yp).92 = 78,28 kg/kmol)

e Xác định g¡: Từ hệ phương trình :

£,=G,+D

£,),=G,.x,+Dx, (V.1)

81% = 8ala

Với;
G¡ : lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn cất .
r¡ : Ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn cất
rạ : ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi ra ở đỉnh tháp .
* Tính rị : tị = trạ = 94°C_, tra bảng I.212, trang 254, [5] ta có :

An nhiệt hoá hơi của Benzen : rpị = 383,1 kJ/kg.
Ấn nhiệt hoá hơi của Toluen : rrị = 371,3 k]/kg.

SUY Ta : f1 =rpI.ÿ¡+ (T-V1).rrị =373,ly¡ - 11,8y;

> y= 373,1yi - 11,8y kJ/kg

* Tinh rg: tp = 80°C , tra bang I.212, trang 254, [5] ta có :
An nhiét hoa hoi cua Benzen : rgq = 393,3 kJ/kg.
An nhiệt hoá hơi của Toluen : rra = 378,3 kJ/kg .

SUY Ta : FD = Tbpa.VYD + (1-Yn).Fra = 393,3.0,99 + 378,3.0,01

> tp= 393,15 kJ/kg

(với xp = 0,983 suy ra yp theo phân khối lượng là 0,99)

* xX; = Xp= 0,4(ta coi n)

Trang 16

ĐAMH Quá trình & Thiết bị GVHD : Phan Dinh Tuan

Gidi hé (IV.1) , ta dude :( G; = 593,3 kg/h
y¡ =0,524 (phân khối lượng benzen)

Ạ g, = 755,1 kg/h

Vay : m= 563,93 + 755,1
a ee = 659,5 kg/h

2. Tốc đơ hơi trung bình đi trong tháp ở đoạn cất:

Vận tốc hơi đi trong tháp ở đoạn cất:

ko, Wy ), = 0,065.0P.|2 „0/2],w
Với : p„ø : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng kg/mỶ.

Pytb : khối lượng riêng trung bình của pha hơi kg/m” .
h: khoảng cách mâm (chọn h = 0,3 ứng với D = 0,6-1,2m)

ø|ơ|: hệ số tính đến sức căng bề mặt

e Xác định pyẹp :

[y„.78+(I— „„}92]273
S22 A(,+273)

Với: + Nơng độ phân mol trung bình : yy = J> + = == 0,22 = 0,725

+ Nhiệt độ trung bình đoạn cất : tụ _t tty — 98,5 + 80,5 = 89,5°C

Suy ra : Py =2,752 kg/m’.
e XAc dinh pxtp:

Nồng độ phân mol trung bình : x;; = XrTXp _ 0,44 + 0,983 = 0,692

Suy ra : x„ nL _„ 65,5 %.
78.x„ +(1—x„).92

ty = 89,5°C , tra bang I.2, trang 9, [5], ta có :

Phenzen = 804kg /mÌ

Proiuen = 798kg /m°

1 — Xp + l—x„

Ø xíb Ø benzen Ø toluen

Pxtb = 802 kg/m°

Xac dinh glo]; hệ số tính đến sức căng bề mặt

Ta có:

1 1 1 1 1 4
——=——+*+— = + = Ø, =10,7.10N/m =10,7dynl cm
OC, Ơy Or 213.10” 215.107

Véi: o, =21,3.10° N/m, o,= 21,5.10° N/m (sé liéu tra tir bang 1.242 trang 300 STT1)
Ta thấy ø„„< 20 theo STT2 - tr184 chọn ø|ø|= 0,8

(o,.w,)„ =0,065.0[ø]Í*.p,„ø,„ =0,065.0,8./0,3.802.2,752 =1,33/ kmỸg.s

D, =0,0188 _ 8 — = 0,0188. [829.9 = 0,419m
(Ø,.®.,)„ 1,33

Trang 17

ĐAMH Quá trình & Thiết bị GVHD : Phan Dinh Tuan

:Tôc độ hơi trung bình đi trong doan cat: w', = W„*,), _ 133 _ 0,483m/s.w

Py 2,752

Il. ˆ Đường kính đoạn chưng :
1. Lượng hơi trung bình đi trong tháp ở đoạn chưng :

8 ' = grrgr ; kg/h
2

#`n: lượng hơi ra khỏi đoạn chưng ; kg/h.

Ø ':¡: lượng hơi đi vào đoạn chưng ; kgíh.
e Xác định ø?n : g’n= g1 = 755,1 kg/h

e Xác định ø°¡: Từ hệ phương trình :

Gi=gi+W

G:ix¿=giyy+Wx„ (IV.2)

B= 2 = BN

Với : G¡: lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn chưng .
r'+: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng.

* Tính r¡ : xw =0,012(phần mol) tra đổ thị cân bằng của hệ ta có : y*w
=0,016(phần mol), tương đương với nồng độ khối lượng là y*w = 0,014(phần khối
lượng) t’; = tw = 110C, tra bảng I.212, trang 254, [5], ta có :

An nhiệt hoá hơi cua Benzen : r’p; = 370,56 kJ/kg.

An nhiệt hoá hơi của Toluen : r’7; = 362,20 kJ/kg.

> nl = TBI.Yw+ (1-Yyw).F`T1 =362,3 kJ/kg

* Tính rị : tị = tạ = 94°C_, tra bảng I.212, trang 254, [5] ta có :
An nhiệt hoá hơi cua Benzen : rg; = 383,1 kJ/kg.
An nhiét hoa hoi cua Toluen : rz; = 371,3 kJ/kg.

Ty =Yp1.yit (1-y1).t11 = 378,9 kJ/kg

* W = 240,6 kg/h
Giai hé (IV.2) , ta dude: ( x’; =0,0135 (phan mol)

G1 = 1030,3 kg/h

2’: = 789,7kg/h
Vậy :g'= 18201551 1 _ 772,4 kghh

2. Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp ở đoạn chưng: kg/m'”.

Vận tốc hơi đi trong tháp ở đoạn chưng: kg/m? .
0,6-1,2m)
(o,»,, = 0,065.p[ø kJ.ø.ø,

Với : p„ø : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng

Dyuœ : khối lượng riêng trung bình của pha hơi
h: khoảng cách mâm (chọn h = 0,3 ứng với D =
ø|ơ|: hệ số tính đến sức căng bề mặt

e Xác định Pytb ? 0. = [v,,-78+ (1— y,, .92]273

” 22,4 (t,, +273)

Trang 18

ĐAMH Quá trình & Thiết bị GVHD : Phan Dinh Tuan

yị+7p _ 0,468+0,014
Với: + Nồng độ phân mol trung bình : y;p = 2 = 0,241

+ Nhiệt độ trung bình đoạn chưng : ty = > y_283+110_ 1o 25C

Suy Ta : Dyip=2,96 kg/m’. _ 0,44+0,0122 = 0,226
e Xác định p„ụp :

Nồng độ phân mol trung bình : xm = x„+x„

Suy ra: xy _— 5, _ 18,8 %.
T8.x„ + (I— x„).92

ty = tp toy _ 23+110 =101,5°C , tra bảng L2, trang 9, [5], ta CÓ :
2

Phenzen = 793kg /m°

Proluen = 788kg /m°

LX 1%

Prtb — been - Protuen

Suy ra: px = 789 kg/m°

Xac dinh glo]: hệ số tính đến sức căng bề mặt
Ta có:

toi ta | =+ = > oy, =10,N3 /m.=11 0,30dyn°/ cm
O,, OF, Ơp 18,8.10 215.10
Với: ơ, =18,8.10” N/m, ør= 21,5.10” N/m (sé liéu tra tir bang 1.242 trang 300 [5])
Ta thay o,,<20 theo STT2 - tr184 chọn ø|ø|= 0,8
(0,.w,), = 0,065.96} [FPPys = 0,065.0,8../0,3.789,7.2,96 = 1,38

D, =0,0188 ;—_8» _ = 0,0188. 7124 = 0,444m
(P, .O, Drs 1,38

r .W
w', =W„»,), - 3Š _ 0,466m/s
Tơc độ hơi trung bình đi trong doan chung: Prin 2,96

Kết luận : hai đường kính đoạn cất và đoạn chưng khơng chênh lệch nhau quá lớn

nên ta chọn đường kính của toàn tháp 1a : D, = 0,50 m.

Khi đó tốc độ hơi ở chế độ làm việc thực:

0,0188”.g„ 0,01887.659,5
+ Phan cat : aly =——,; DẺ.p,„ — 05022752= 5 =0,339 m/s

2 2

+ Phần chung : @y = 00188 rên _ 00166 112.8 = 0,369 m/s.
Dy Py, 0,50°.2,96

* chiều cao tháp chưng cất (D,):
H=N(Ha + 8) + (0,8 = 1), m (công thirc IX.54- STT2 -Tr.169)

Trong đó N, - số đĩa thực tế; ö bề dày của đĩa, m; 0,8 + 1 - khoảng cách cho phép ở
đỉnh và đáy thiết bị, m; Hạ — khoảng cách giữa các đĩa, m

Trang 19

ĐAMH Quá trình & Thiết bị GVHD : Phan Dinh Tuan

= 26.(0,25 +0,004 ) +0,8 = 7,4 m lẫy tròn là H = 7,5 m

Trong đó bề dày đĩa ư = 0,004 m tính ở phần bề dày đĩa

Vậy kết luận chiều cao tháp H= 7,5 m

II. Trở lực của tháp chúóp :

Trở lực của tháp chóp bao gồm: ton thất ap suat khi dong khi di qua dia khô, ton that
do sức cang bé mat, ton that that do lép chat long trén dia va bo qua sự biên đôi chiêu
cao lớp chât lỏng trên dia
Trở lực của tháp chóp được xác định the cơng thúc:

AP=N,.AP,,N!m?

Trong đó N„ — số đĩa thực tế của tháp; AP, - tổng trở lực của một đĩa, N/m”

AP,= AP. + AP + AP
AP, - trở lực đĩa khô, N/m”

AP - trở lực đĩa do sức căng bé mat, N/m?

AP, - Trở lực của lớp chất lỏng trên dia, N/m?

= Tro luc của đĩa khô AP,:

Ww 0

Áp, =6"

2
Trong do: ¢ - hé so tré luc, thuong chon ¢ = 4,5 — 5(6 day ta chon ¢ = 5); p,-

khối lượng riêng của pha hơi, kg/m”; wạ — tốc độ khí qua rãnh chóp, m/s
Với khơi lượng riêng pha hơi đi trong toàn tháp:

Py== 21925+ 2^,°956 — 2 856kg /m`

Vận tốc khí trung bình đi qua một rãnh của chóp(phân tính tốn chóp ta chọn một đĩa
10 chóp, một chóp 10 rãnh), vậy:
% _ 9369+ 0.339 11 3c yay
° 2 1010
Suyra: AP, = ¿ Py Wo s 2.586.354? =8045,3N/m?
2
= _ Trở lực do sức căng bề mặt AP., N/mÏ

Trong d6 o- strc cang bé mat, AP= +2 N/m đương của khe rãnh
chóp,m d td
50mm’ voi a,b la bé
Khi rãnh chóp mở hồn toan: dia N/m; dạ - đường kính tương
= 2.(a+b) = 30mm
Ở day f.- diện tich tiét dién ty = 4f.
II
rộng và chiều cao của rãnh chóp,
do cia rinh. f,= ab = 5.10 =

mam. I1 - chu vi rãnh chóp,II

Suy ra: dig= 4U4 , - == 6,67mm= 6,67.10°m

-3

Vậy AP= + __ 105/10 -=6,296N/mmˆ”, với ơ là sức căng bề mặt trung bình
d„ ,67.10"

của phần chưng và phần cất, như ta đã tính ở phần vận tốc hơi đi trong tháp thì

Trang 20