luận văn tốt nghiệp chưng luyện để tách hỗn hộp các cấu tử trong công nghiệp

Luận văn tốt nghiệp
Đề tài: Chưng luyện để tách
hỗn hộp các cấu tử trong công
nghiệp


mục lục
Phần mở đầu

2

Vẽ và thuyết minh dây chuyền

2

Tính toán thiết bị chính

6

I.Tính cân bằng vật liệu

6

II.Đờng kính tháp

8

III.Số đĩa thực tế và chiều cao tháp

14

IV. Tính toán cơ khí

21

V. Trở lực

36

Cân bằng nhiệt

41

I. Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu

41

II.Tháp chng luyên

42

III. Thiết bị ngng tụ

45

IV.Thiết bị làm lạnh

45

Tính và chọn thiết bị phụ

46

I. Tính và chon thiết bị gi nhiệt

47

II.Tính bơm

43

Kết lụân

62

Tài liệu tham khảo

63

Phụ lục

64

1



Phần mở đầu
Trong công nghiệp, việc phân tách các cấu tử từ hỗn hợp ban đầu là rất cần thiết nhằm
mục đích hoàn thiện, khai thác, chế biến...
Có rất nhiều phơng pháp phân tách các cấu tử trong công nghiệp, trong đó có phơng

pháp chng luyện là một trong những phơng pháp hay đợc sử dụng.
Chng là phơng pháp tách các cấu tử từ hỗn hợp ban đầu dựa vào độ bay hơi khác nhau
của chúng trong hỗn hợp. Hỗn hợp này có thể là chất lỏng hoặc chất khí, thờng khi chng một
hỗn hợp có bao nhiêu cấu tử ta sẽ thu đợc bấy nhiêu sản phẩm. Với hỗn hợp có hai cấu tử ta sẽ
thu đợc hai sản phẩm là sản phẩm đỉnh gồm phần lớn là cấu tử dễ bay hơi và sản phẩm đáy chứa
phần lớn là cấu tử khó bay hơi.
Trong thực tế có thể gặp rất nhiều kiểu chng khác nhau nh : chng bằng hơi nớc trực
tiếp, chng đơn giản, chng luyện... Chng luyện là phơng pháp chng phổ biến nhất dùng để
tách hỗn hợp các cấu tử dễ bay hơi có tính chất hoà tan hoàn toàn hoặc một phần vào nhau.
vẽ v thuyết minh dây chuyền sản xuất
I. Thuyết minh dây chuyền sản xuất :
Hỗn hợp đầu từ thùng chứa 1 đợc bơm 2 bơm liên tục lên thùng cao vị 3. Mức chất lỏng
cao nhất ở thùng cao vị đợc khống chế nhờ ống chảy tràn. Từ thùng cao vị, hỗn hợp đầu
(đợc điều chỉnh nhờ van và lu lợng kế) qua thiết bị đun nóng dung dịch 4. Tại đây, dung
dịch đợc gia nhiệt bằng hơi nớc bÃo hoà đến nhiệt độ sôi. Sau đó, dung dịch đợc đa vào
tháp chng luyện qua đĩa tiếp liệu.
Tháp chng luyện gồm hai phần : phần từ đĩa tiếp liệu trở lên trên là đoạn luyện, còn từ đĩa
tiếp liệu trở xuống là đoạn chng.
Nh vậy, ở trong tháp, pha lỏng đi từ trên xuống tiếp xúc với pha hơi đi từ dới lên. Hơi
bốc từ đĩa dới lên qua các lỗ đĩa trên và tiếp xúc với pha lỏng của đĩa trên, ngng tụ một
phần, vì thế nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng tăng 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 tăng. Cấu
tử dễ bay hơi có nhiệt độ sôi thấp hơn cấu tử khó bay hơi nên khi nồng độ của nó tăng thì nhiệt
độ sôi của dung dịch giảm. Tóm lại, theo chiều cao tháp nồng độ cấu tử dễ bay hơi (cả pha
lỏng và pha hơi) tăng dần, nồng độ cấu tử khó bay hơi (cả pha lỏng và pha hơi) giảm dần, và
nhiệt độ giảm dần. Cuối cùng, ở đỉnh tháp ta sẽ thu đợc hỗn hợp hơi có thành phần hầu hết là
cấu tử dễ bay hơi còn ở đáy tháp ta sẽ thu đợc 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 xung bằng dòng hồi
lu đợc ngng tụ từ hơi đỉnh tháp. Hơi đỉnh tháp đợc ngng tụ nhờ thiết bị ngng tụ hoàn
toàn 6, dung dịch lỏng thu đợc sau khi ngng tụ một phần đợc dẫn hồi lu trở lại đĩa luyện

trên cùng để duy trì pha lỏng trong các đĩa đoạn luyện, phần còn lại đợc đa qua thiết bị làm
lạnh 7 để đi vào bể chứa sản phẩm đỉnh 8. Chất lỏng ở đáy tháp đợc tháo ra ở đáy tháp, sau
đó một phần đợc đun sôi bằng thiết bị gia nhiệt đáy tháp 9 và hồi lu về đĩa đáy tháp, phần
chất lỏng còn lại đa vào bể chứa sản phẩm đáy 10. Nớc ngng của các thiết bị gia nhiệt đợc
tháo qua thiết bị tháo nớc ngng 11.
Nh vậy, thiết bị làm việc liên tục (hỗn hợp đầu đa vào liên tục và sản phẩm cũng đợc
lấy ra liên tục).

2



II. Sơ đồ dây chuyền :

Nớc

6
3
Nớc lạnh

5

7

Hơi đốt

Nớc
Nớc lạnh

4

9

11

Nớc ngng

Hơi đốt

11

2

1

Nớc ngng

10

8

Chú thích :
1- Thùng chứa hỗn hợp đầu

2- Bơm

3- Thùng cao vị

4- Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu

5- Tháp chng luyện

6- Thiết bị ngng tụ hồi lu

7- Thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh

8- Thùng chứa sản phẩm đỉnh

9- Thiết bị gia nhiệt đáy tháp

10- Thùng chứa sản phẩm đáy

11- Thiết bị tháo nớc ngng

3



tính toán kỹ thuật thiết bị chính

- Giả thiết :
- Số mol pha hơi đi từ dới lên là bằng nhau trong tất cả mọi tiết diện của tháp.
- Số mol chất lỏng không thay đổi theo chiều cao đoạn chng và đoạn luyện.
- Hỗn hợp đầu đi vào tháp ở nhiệt độ sôi.
- Chất lỏng ngng tụ trong thiết bị ngng tụ có thành phần bằng thành phần của hơi đi ra ở
đỉnh tháp.
- Cấp nhiệt ở đáy tháp bằng hơi đốt gián tiếp.

- Yêu cầu thiết bị :
F : Năng suất thiết bị tính theo lợng hỗn hợp đầu = 7500 = 2,083(kg/s).
Thiết bị làm việc ở áp suất thờng, P = 1 at

Tháp loại : Tháp chóp

- Điều kiện :

a F : Nồng độ axeton trong hỗn hợp đầu = 0,34% khối lợng.
aP : Nồng độ axeton trong sản phẩm đỉnh = 0,95% khối lợng.
aW : Nồng độ axeton trong sản phẩm đáy = 0,03 % khối lợng.
M1 : Khối lợng phân tử của axeton

= 58 kg/kmol.

M2 : Khối lợng phân tử của H2O =18 kg/kmol.

I. Tính c©n b»ng vËt liƯu :
1/ TÝnh c©n b»ng vËt liƯu :
Theo phơng trình cân bằng vật liệu cho toàn tháp :

4



F=P+W
Và phơng trình cân bằng vật liệu cho riêng cấu tư dƠ bay h¬i (Etylic):

F.a F = P.a P + W.a W
Lợng sản phẩm đáy là :

W =

F ( a P − a F ) 2,083 . (0,95 − 0,34 )

=
= 0, (kg/s)
a P − aW
0,95 − 0,03

⇒ L−ỵng sản phẩm đỉnh là :
P = F W = 06667 0,458 = 0,2087 (kg/s)

Tính lợng hỗn hợp đầu F, lợng sản phẩm đỉnh P, lợng sản phẩm đáy W’ theo kmol/s :

⎛a
1 − aF
F'= ⎜ F +
⎜M
M2
⎝ 1

⎞
⎛ 0,30 0,7 ⎞
⎟.F = ⎜
+
⎟.0,6667 = 0,0302 (kmol / s )
⎟
18 ⎠
⎝ 46
⎠

⎛a
1 − aP ⎞
⎛ 0,95 0,05 ⎞

−3
⎟.P = ⎜
P' = ⎜ P +
+
⎟.0,2087 = 4,889.10 (kmol / s )
⎜M
⎟
M2 ⎠
18 ⎠
⎝ 46
⎝ 1

W ' = F '− P' = 0,0302 − 4,889.10 −3 = 0,0253 (kmol / s )

2/ Tính chỉ số hồi lu thích hợp, số đĩa lý thuyết :
Đổi nồng độ từ phần khối lợng sang phÇn mol :

xF =

aF / M 1
30 / 46
=
= 0,14360
a F / M 1 + (100 − a F ) / M 2 30 / 46 + 70 / 18

xP =

aP / M 1
95 / 46
=

= 0,8814
a P / M 1 + (100 − a P ) / M 2 95 / 46 + 5 / 18

xW =

aW / M 1
0,4 / 46
=
= 1,569.10 −3
aW / M 1 + (100 − aW ) / M 2 0,4 / 46 + 98 / 18

Dựa vào đờng cân bằng lỏng-hơi (nội suy), ta cã :

*
yF = 0,278092

5



a/ ChØ sè håi l−u tèi thiÓu :

Rmin

*
xP − y F 0,8814 − 0,278092
= *
=
= 4,4584
y F − xF 0,278092 − 0,1436

b/ ChØ sè håi l−u thÝch hỵp :
Cho R biến thiên (R >Rmin), với mỗi giá trị của R ta xác định đợc số đĩa lý thuyết tơng
ứng :


1,2

1,25

1,5

1,75

2,0

2,25

R

5,3832

5,6075

6,729

7,8505

8,972

10,0935

N

28

27

23

22

21

20

178,7296

178,4025

177,764

194,711

209,412

221,87

N(R+1)

2,5
11,215
19
232,685

R
=
Hệ số hiệu chỉnh :
R min
Từ bảng số liệu, ta xây dựng đồ thị biểu diễn mối quan hệ R N(R+1).
Dựa vào đồ thị , ta xác định đợc Rth = 6,729
c/ Phơng trình đờng nồng độ làm việc :
- Đờng nồng độ làm việc đoạn chng :
Lợng hỗn hợp đầu tính theo 1 kmol sản phẩm đỉnh :

f =

0,302
F'
=
= 6,1771
P ' 4,889.10 −3

6



Phơng trình :

y=

6,729 + 6,1771
6,1771 1
R+ f
f 1
x
xW =
x
.0,001569
R +1
R +1
6,729 + 1
6,729 + 1

⇒ y = 1,6698 x 0,001051
- Đờng nồng độ làm việc đoạn luyện :
Phơng tr×nh :

y=

x
R
6,729
0,8814
x+ P =
x+
R +1
R + 1 6,729 + 1
6,729 + 1

⇒ y = 0,8706 x + 0,114
d/ Sè ®Üa lý thuyết :
Với Rth = 6,729 dựa vào đờng cân bằng và đờng làm việc, ta xác định đợc số ®Üa lý
thuyÕt.
NLT =23
Trong ®ã : sè ®Üa ®o¹n ch−ng :2
sè đĩa đoạn luyện : 21

II. Đờng kính của tháp :
1/ Lu lợng trung bình các dòng pha đi trong tháp :
a/ Trong đoạn luyện :
Số liệu :
GP : Lợng sản phÈm ®Ønh (P’) = 4,889.10-3 (kmol/s).
R : HƯ sè håi l−u thÝch hỵp = 6,729
GR : L−ỵng håi l−u = GP . R (kmol/s)
Lợng hơi ra khỏi đỉnh tháp g® :
g® = GR + GP = GP . (R + 1) = 4,889.10-3 . (6,729+ 1) = 0,0952 (kmol/h)

7



Lợng hơi đi vào đoạn luyện g1 , nồng độ hơi y1 , lợng lỏng G1 đối với đĩa thứ nhất của
đoạn luyện, nồng độ lỏng x1 :
Coi x1 = xF = 0,1740
Phơng trình cân bằng vật liệu :
g1 = G1 + GP

(1)

Phơng trình cân bằng vật liệu với cÊu tư dƠ bay h¬i (etylic) :
g1 y1 = G1 x1 + GP xP

(2)

Phơng trình cân bằng nhiệt lợng :
g1 r1 = gđ rđ

(3)

r1 : ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa luyện thứ nhất (kcal/kmol)
rđ : ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi ra khỏi đỉnh tháp (kcal/kmol)
Gọi :
rA : ẩn nhiệt hóa hơi của Etylic
rB : ẩn nhiệt hoá hơi của H2O.
Từ đồ thị (t,x,y) ta có :
- Nhiệt độ sôi của hỗn hợp đỉnh (x = xP = 0,8814): tP = 78,12720C
Néi suy theo b¶ng r – to (I-301) víi to = 78,1272°C :

⎧r = 198 (kcal/kg) = 198.M A (kcal/kmol) = 9108 (kcal/kmol)
⇒⎨A
⎩rB = 508 (kcal/kg) = 508.M B (kcal/kmol) = 9126 (kcal/kmol)
⇒ r® = rA . y® + rB (1 - y®) = 9108 . 0,8814 + 9126 .(1- 0,8814)
= 9110,1348 (kcal/kmol)
- Nhiệt độ sôi của hỗn hợp đầu (x = xF = 0,1436): tF = 84,6028°C
Néi suy theo b¶ng r – to (I-301) víi to = 84,6028°C :

⎧rA = 193 (kcal/kg) = 193.M A (kcal/kmol) = 8878 (kcal/kmol)
⇒⎨
⇒ rl =

⎩rB = 446 (kcal/kg) = 446.M B (kcal/kmol) = 8028 (kcal/kmol)
rA . yl + rB (1 – yl) = 8878 . yl 8028 . (1 – yl)
Thay rl vµo (3) và giải hệ 3 phơng trình trên (ẩn yl, gl, Gl), ta đợc :

8



⎧G1 = 0,1011 (kmol/s)
⎪
⇒ ⎨ g1 = 0,106 (kmol/s)
⎪ y = 0,1776
1
Lợng hơi trung bình đi trong đoạn luyÖn :

g tbL =

g d + g1 0,0952 + 0,106
=
= 0,1006 (kmol/s)
2
2

Lợng lỏng trung bình đi trong đoạn luyện :

GR + G1 (6,729 + 1).4,889.10 −3 + 0,1011
=
=
= 0,0956 (kmol/s)
2

2

GtbL

b/ Trong đoạn chng :
Số liệu :
GW : Lợng sản phẩm đáy (W) = 0,0253 (kmol/s)
,
,
'
g1 , nồng độ hơi y 1 , lợng lỏng G1 đối với đĩa thứ nhất
,
của đoạn chng, nồng độ lỏng x 1 , lợng hơi ra khỏi đoạn chng chính là lợng hơi đi

Lợng hơi đi vào đoạn chng
vào đoạn luyện g1 :

Ta có y1 = y W là nồng độ cân bằng øng víi xW , néi suy theo b¶ng sè liƯu đờng
cân bằng (II-145) :
,

*

y1 = yW = 0,001856
,

*

Phơng trình cân bằng vật liệu :
'

'
G1 = g1 + G W

(1)

Phơng trình cân bằng vật liệu với cấu tử dễ bay h¬i (etylic) :
' '
' '
G1x1 = g1y1 + G W x W

(2)

Phơng trình cân bằng nhiệt lợng :
'
g1r1' = g1r1

(3)

rl : ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi ra khỏi đoạn chng.

9



⇒ rl = rA . yl + rB (1 – yl) = 8878 . 0,1776 + 8028 . (1 – 0,1776)
= 8660,64 (kcal/kmol)
r1: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa chng thứ nhất.
Từ bảng số liệu x – to s«i dd (II-145), néi suy ta cã:
NhiƯt độ sôi hỗn hợp đáy (x = xW = 0,001569): tW = 99,6007°C
Néi suy theo b¶ng r – to (I-301) víi to = 99,6007°C :

⎧rA = 191 (kcal/kg) = 191.M A (kcal/kmol) = 8786 (kcal/kmol)
⇒⎨
⎩rB = 503 (kcal/kg) = 503.M B (kcal/kmol) = 9054 (kcal/kmol)
⇒ Èn nhiƯt hãa h¬i cđa hỗn hợp hơi đi vào đĩa chng thứ nhất :
rl = rA . yl’ + rB (1 – yl’) = 8786.0,001569 + 9054 . (1 – 0,001569)
= 9050,596 (kcal/kmol)

(3' ) ⇒ g1' = g1

r1
8660,64
= 0,106.
= 0,1014(kmol/s)
'
r1
9050,596

(1' ) ⇒ G1' = g1' + GW = 0,1014 + 0,0253 = 0,1267 (kmol/s)
⇒ Lợng hơi trung bình đi trong đoạn chng :

g1 + g1' 0,106 + 0,1014
=
=
= 0,1037 (kmol/s)
2
2

g tbC

⇒ L−ỵng láng trung bình đi trong đoạn chng :

GtbC

(G1 + GF ) + G1' (0,1011 + 0,0301) + 0,1267
=
=
= 0,129(kmol/s)
2
2

2/ VËn tèc h¬i ®i trong th¸p :
Tèc ®é khÝ ®i trong th¸p chãp xác định theo:
(

Y . Y )tb=0,065. . [ ] .

h. xtb . ytb

(Kg/m2.s)

[II.184]

xtb : Khối lợng riêng trung b×nh pha láng (kg/ m3)
10



ytb : Khối lợng riêng trung bình pha hơi (kg/ m3)
h

: Khoảng cách giữa các đĩa (m)

a/ Khối lợng riêng trung bình pha lỏng :

1
a
1 a tb1
= tb1 +
ρ xtb ρ xtb1
ρ xtb 2

[II.184]

Trong ®ã :

ρ xtb : Khối lợng riêng trung bình pha lỏng (kg/ m3)
xtb1 : Khối lợng riêng trung bình cấu tử 1 (kg/ m3)

xtb2 : Khối lợng riêng trung bình cấu tử 2 (kg/ m3)
a tb1 : Nồng độ khối lợng trung bình cấu tử 1 (kg/ kg)
- Đoạn luyện :
Nồng độ trung bình pha lỏng đoạn luyện :

xtbL =

x F + x P 0,1436 + 0,8814
=
= 0,5125
2

2

Néi suy víi xtbL theo b¶ng số liệu nồng độ to sôi dung dịch (II-145) :
Nhiệt độ trung bình đoạn luyện : ttbL = 79,9144C
Khối lợng riêng của Etylic và Nớc theo t = ttbL :
ρxL2 = 974,8376 (kg/m3)

ρxL1 = 737,5 (kg/m3)

[I.7]

⇒ Nång độ khối lợng trung bình của Etylic đoạn luyện :

atbL =
⇒ ρ xL

a F + a P 0,30 + 0,95
=
= 0,625
2
2

⎛a
1 − atbL
= ⎜ tbL +
⎜ρ
ρ xL 2
⎝ xL1

⎞

⎟
⎟
⎠

−1

⎛ 0,625 1 0,625
=
+

737,5 974,8376

1

= 811,598 (kg/m3)

- Đoạn ch−ng :

11



Nồng độ trung bình pha lỏng đoạn chng :

xtbC =

xW + x F 0,001569 + 0,1436
=
= 0,0725
2

2

Néi suy víi xtbC theo bảng số liệu nồng độ to sôi dung dịch (II-145) :
Nhiệt độ trung bình đoạn chng : ttbC = 88,344C
Khối lợng riêng của Etylic và Nớc theo t = ttbC :

ρ xC 1 = 727

ρ xC 2 = 967 ,5537

(kg/m3)

(kg/m3)

[ I.10]

Nồng độ khối lợng trung bình của Etylic đoạn luyện :

atbC =
xC

aW + a F 0,004 + 0,30
=
= 0,17
2
2

⎛a
1 − atbC
= ⎜ tbC +

⎜ρ
ρ xC 2
⎝ xC1

⎞
⎟
⎟
⎠

−1

⎛ 0,17 1 − 0,17 ⎞
=⎜
+
⎟
⎝ 727 967,5537

1

= 916,0267 (kg/m3)

b/ Khối lợng riêng trung bình pha hơi :
- Đoạn luyện :
Nồng độ pha hơi đầu đoạn luyện là : yđL = y1 = 0,1776
Nồng độ pha hơi cuối đoạn luyện là : ycL = yP = xP = 0,8814
Nồng độ trung bình pha hơi đoạn luyÖn :

ytbL =

ydL + ycL 0,1776 + 0,8814

=
= 0,5295
2
2

⇒ Khèi lợng mol trung bình hơi đoạn luyện :

M yL = ytbL.M1+(1- ytbL).M2 = 0,5295 . 46 + (1- 0,5295).18
= 32,826 (kg/kmol)
Khối lợng riêng trung bình pha hơi đoạn luyện :

ρ yL =

M yL . TO
32,826 . 273
=
= 1,1796 (kg/m3)
22,4.(TO + t tbL ) 22,4.( 273 + 79,9144)

- Đoạn chng :

12



Nồng độ pha hơi đầu đoạn chng là : y dC = y1 = 0,01856
'

Nồng độ pha hơi cuối đoạn chng là : ycC = y1 = 0,1776
Nồng độ trung bình pha hơi đoạn luyện :

ytbC =

ydC + ycC 0,01856 + 0,1776
=
= 0,09808
2
2

Khối lợng mol trung bình hơi ®o¹n ch−ng :

M yC = ytbC.M1+(1-ytbC).M2 = 0,09808.46+(1– 0,09808).18 =45,4624 (kg/kmol)
Khối lợng riêng trung bình pha hơi đoạn chng :

M yC . TO
45,4624 . 273
=
= 1,5333 (kg/m3)
22,4.(TO + ttbC ) 22,4.(273 + 88,344)

yC =

Sức căng bề mặt tính theo công thức:
1

hh

=

1

1

+

1

[I.360]

2

Sức căng bề mặt của Nớc: 2 = 62,933.10-3 (N/m) = 62,933
Sức căng bề mặt của Etylic: σ 1 = 17,88.10-3(N/m) = 17,88
σ hh = (

1

σ1

+

1

σ2

)-1 = (

dyn
cm

[I.361]

dyn
cm

1
1
dyn
dyn
)-1 = 13,924
< 20
+
17,88 62,933
cm
cm

VËy hƯ sè tÝnh ®Õn sức căng bề mặt .[ ] = 0,8
Chọn h = 0,45 (m)
Tốc độ khí của hơi đoạn luyện:

(
Thay số:

y

(

. y ) tbl = 0,065. ϕ . [σ ] . h.ρ xtbl .ρ ytbl
y

(Kg/m2.s)

.ω y ) tbl = 0,065.0,8. 0,45.811,598.1,1336

= 1,3235(Kg/m2.s)

Tốc độ khí của hơi đoạn chng:

(

y

. y ) tbc = 0,065. ϕ . [σ ] . h.ρ xtbc .ρ ytbc

(Kg/m2.s)

Thay sè: (ρ y .ω y ) tbc = 0,065.0,8. 0,45.916,0267.1,5333 = 1,6341(Kg/m2.s)

13



3/ Đờng kính tháp :

D = 0,0188

g tb
( y wy )tb

(m)

[II.181]

Trong đó :
gtb : Lợng hơi trung bình đi trong tháp (kg/h)
- Đoạn luyện :
Khối lợng mol trung bình pha hơi : M

yL

= 32,826 (kg/kmol)

Lu lợng hơi trung bình : gtbL = 0,1006 (kmol/s)

⇒ g tb = g tbL . M yL = 32,826.0,1006.3600
= 11888,2641 (kg/h)
- Đoạn chng :
Khối lợng mol trung bình pha hơi : M

yC

= 45,4624 (kg/kmol)

Lu lợng hơi trung bình : gtbC = 0,1037 (kmol/s)

g tb = g tbC . M yC = 45,4624.0,1037.3600
= 16972,0231 (kg/h)

w y : Vận tốc hơi trung bình đi trong tháp (m/s)

y : Khối lợng riêng trung bình của hơi đi trong tháp (kg/m3)
Đờng kính đoạn luyện :

DL = 0,0188

g tb
11888,2641
= 0,0188
= 1,78 (m)
1,3225
yL wL

Đờng kính đoạn ch−ng :

DC = 0,0188

g tb
16972,0231
= 0,0188
= 1,9 (m)
ρ yC wC
1,6341
14



Vì đờng kính hai đoạn chng và luyện sai khác nhau không đáng kể, chuẩn hóa ta chọn
đờng kính cho cả tháp : D = 2 (m)

III. Số đĩa thực tÕ vμ chiỊu cao th¸p :

1/ HƯ sè khch t¸n :
a/ HƯ sè khch t¸n trong pha láng:
♦ HƯ sè khuÕch t¸n trong pha láng ë 20oC:

1.10-6 .
D 20 =
x

1
1
+
MA MB

AB μ B .( v1 / 3 + v1 / 3 )2
A
B

(m2/s)

[SCS.t12]

Trong đó :
A,B : Hệ số liên hợp của chất tan và dung môi : A= 2; B= 4,7
MA, MB : Khối lợng mol của Etylic và nớc (kg/kmol)
MA = 46(kg/kmol)

; MB = 18 (kg/kmol)

μB : §é nhít cđa dung m«i ë 20oC (cP) : μH 2 0, 20 0 C = 1 (cP)
vA, vB : ThÓ tÝch mol cđa Etylic vµ N−íc (cm3/mol)

vA = 2.14,8 + 6.3,7 + 1.7,4 =59,2 (cm3/mol) vB = 2.4,7 + 7,4 = 14,8 (cm3/mol)

1 1
+
46 18
20
⇒ Dx =
= 2,0376.10 −10 (m2/s)
1/ 3
1/ 3 2
2.4,7. 1 .(59,2 + 14,8 )
1.10-6 .

♦ HÖ sè khuÕch tán ở nhiệt độ xác định t:

D tx = D 20 [1 + b( t − 20)]
x
HƯ sè nhiƯt ®é :

b=

[SCS.t12]

0,2 μ
3

ρ

15

: Độ nhớt của dung môi ở 20oC (cP) : μH 2 O, 20 0 C = 1 (cP)
ρ : Khối lợng riêng của dung môi ở 20oC (kg/m3)
H 2 O, 20 0 C = 1000 (kg/m3)

⇒b=

0,2 1
= 0,02
3
1000

⇒ Hệ số khuếch tán trong pha lỏng đoạn chng : t = ttbC = 88,344°C

DxC = 2,0376 .10 −10 [1 + 0,02(88,344 − 20)] = 4,822.10 −10 (m2/s)
⇒ HÖ sè khuếch tán trong pha lỏng đoạn luyện : t = ttbL = 79,9144°C

DxL = 2,0376.10 −10 [1 + 0,02(79,9144 − 20)] = 4,479.10 −10 (m2/s)

b/ HƯ sè khch t¸n trong pha hơi:
Hệ số khuếch tán của khí trong khí

0,0043.10 4. T 1,5
Dy =
p .( v1 / 3 + v1 / 3 )2
A
B

1

1
2
+
M A M B (m /s)

Trong ®ã :
MA, MB : Khối lợng mol của Etylic và Nớc (kg/kmol)
MA = 46 (kg/kmol) MB = 18 (kg/kmol)
vA, vB : ThÓ tÝch mol cđa Etylic vµ N−íc (cm3/mol)
vA = 59,2 (cm3/mol)

vB = 14,8 (cm3/mol)

P : áp suất tuyệt đối của hỗn hợp : P = P0 = 1 (atm)
T : NhiƯt ®é tuyệt đối của hỗn hợp : T = 273 + t (oK)
Hệ số khuếch tán trong pha hơi đoạn ch−ng : t = ttbC = 88,344°C

D yC

0,0043.10 −4.(273 + 88,344)1,5
=
1.(59,21/ 3 + 14,81/ 3 ) 2

1
1
+
= 2,0348.10 −5 (m2/s)
46 18

Hệ số khuếch tán trong pha hơi đoạn luyện : t = ttbL = 79,9144°C

16



0,0043.10 −4.(273 + 79,9144)1,5
D yL =
1.(59,21/ 3 + 181 / 3 ) 2

1
1
+
= 1,964.10 −5 (m2/s)
46 18

2/ HÖ sè cÊp khối :
a/ Độ nhớt của hỗn hợp hơi :

hh

y.M1 (1 − y).M 2 ⎞
⎟
= M hh .⎜
⎜ μ +
⎟
μ2
⎝ 1
⎠

−1

[I.94]

Trong ®ã :
y : Nång ®é Etylic trong pha hơi :
- Đoạn chng : y = ytbC = 0,9808
- §o¹n lun : y = ytbL = 0,5259
Mhh : Träng lợng phân tử của hỗn hợp khí :
- Đoạn chng : M hh = M

yC

= 45,4624 (kg/kmol)

- Đoạn luyện : M hh = M yL = 32,826 (kg/kmol)
M1, M2 : Trọng lợng phân tử của Etylic và Nớc :
M1 = 46 (kg/kmol) M2 = 18 (kg/kmol)
μ1, μ2 : §é nhít của Etylic và Nớc :
- Đoạn chng : t = ttbC = 88,324°C theo b¶ng 1.102 – I.134:
μ1 = 0,0117.10-3(Ns/m2)

μ2 = 0,3226.10-3(Ns/m2)

- Đoạn luyện : t = ttbL = 79,9144C theo bảng (I-134):
1 = 0,011310-3 (Ns/m2)

2 = 0,3569.10-3 (Ns/m2)

Độ nhớt hỗn hợp hơi đoạn chng là :
1

hh

0,9808.46 (1 − 0,9808).18 ⎞
= 45,4624.⎜
+
⎟ = 1,1786.10 −5 (Ns/m2)
−3
−3
0,3226.10 ⎠
⎝ 0,0117.10

Độ nhớt hỗn hợp hơi đoạn luyện là :

17



−1

μ hh

(1 − 0,5295).18 ⎞
⎛ 0,5295.46
= 32,826.⎜
+
⎟ = 1,5063.10 −5 (Ns/m2)
3
3
0,3569.10

0,0113.10


b/ Độ nhớt của hỗn hợp lỏng :

lg hh = x. lg μ1 + (1 − x). lg μ2

[I.93]

Trong ®ã :
x : Nång ®é phÇn mol cđa Etylic trong hỗn hợp :
- Đoạn chng : x = xtbC = 0,0725
- Đoạn luyện : x = xtbL = 0,5125
1, 2 : Độ nhớt động lực của Etylic và Nớc :
- Đoạn chng : t = ttbC = 88,344C theo bảng và toán đồ (I-102):
2 = 0,295 (cP)

1 = 0,37 (cP)

- Đoạn luyện : t = ttbL = 79,9144C theo bảng và toán đồ (I-102):
2 = 0,34 (cP)

1 = 0,435 (cP)
Độ nhớt hỗn hợp lỏng đoạn chng :

lg(hh) = 0,0725 . lg(0,365.10-3) + (1- 0,091) . lg(0,298.10-3) = - 3,523
μhh = 2,9988 . 10-4 (Ns/m2)
Độ nhớt hỗn hợp lỏng ®o¹n lun :
lg(μhh) = 0,5125 . lg(0,435.10-3) + (1- 0,5125) . lg(0,34.10-3) = - 3,4136
μhh = 3,856 . 10-4 (Ns/m2)

c/ Chuẩn số Reynolt đối với pha hơi :

Re y =

w y . h .ρ y
μy

[II.164]

Trong ®ã :

18



w y : Tốc độ hơi tính cho mặt cắt tự do của tháp (m/s)
- Đoạn chng : w y = w C = 1,0168

(m/s)

- Đoạn luyện : w y = w L = 1,1698

(m/s)

h : KÝch th−íc dµi, chÊp nhận bằng 1m

y : Khối lợng riêng trung bình của hơi (kg/m3)
- Đoạn chng :

y = yC = 1,5333 ( kg / m 3 )

- Đoạn luyện :

ρ y = ρ yL = 1,1336 ( kg / m 3 )

y : Độ nhớt trung bình của hơi (Ns/m2)
Chuẩn số Reynolt đối với pha hơi đoạn ch−ng lµ :

Re y =

1,6341
= 1,3864.10 5
−5
1,1786.10

⇒ ChuÈn sè Reynolt đối với pha hơi đoạn luyện là :

Re y =

1,3225
= 0,8779.105
−5
1,5036.10

d/ Chn sè Prand ®èi víi pha láng :

Prx =

μx

ρ x .D x

[II.165]

Trong đó :

x : Khối lợng riêng trung bình của lỏng (kg/m3)
- Đoạn chng : x = xC = 916,0267 (kg/m3)
- Đoạn luyện : x = xL = 811,598 (kg/m3)

Dx

: Hệ số khuếch tán trung bình trong pha láng (m2/s)

19



x : Độ nhớt trung bình của lỏng (Ns/m2).
Chuẩn số Pran đối với pha lỏng đoạn chng là :

2,9988.10 −4
Prx =
= 678,9
916,0207 . 4,822.10−10
⇒ ChuÈn sè Pran ®èi với pha lỏng đoạn luyện là :

3,8756.10 4
= 1061,19
Prx =

811,598 . 4,479.10 −10

e/ HƯ sè cÊp khèi trong pha h¬i :
Theo công thức tính cho tháp chóp:

y =

Dy
22,4

(0,79 . Re y + 11000 )

kmol
kmol
m 2 .s.
kmol

[II.164]

Trong ®ã :

Dy

: HƯ sè khuếch tán trong pha hơi (m2/s)

Re y

: Chuẩn số Reynolt ®èi víi pha h¬i.

⇒ HƯ sè cÊp khèi pha h¬i đoạn chng là :

yC

2,0348.10 5
kmol
=
(0,79 . 1,3865.10 5 + 11000) = 0,1094
kmol
22,4
m 2 .s.
kmol

⇒ HÖ sè cÊp khèi pha hơi đoạn luyện là :

yL

kmol
1,964.10 5
=
(0,79 . 0,8779.10 5 + 11000) = 0,0704
kmol
22,4
m 2 .s.
kmol

f/ HÖ sè cÊp khèi trong pha láng :

20

βx =

38000 . ρx . D x 0, 62
. Prx
Mx. h

kmol
kmol
m 2 .s.
kmol

Trong đó :

x : Khối lợng riêng trung bình của lỏng (kg/m3)
- Đoạn chng : x = xC = 916,0267 (kg/m3)
- Đoạn luyện : x = xL = 811,598 (kg/m3)

Dx

: Hệ số khuếch tán trung bình trong pha lỏng (m2/s)

Mx

: Khối lợng mol trung bình của lỏng (kg/kmol)
Mx = x.MA + (1-x).MB
- Đoạn chng : x = xtbC = 0,0725
⇒ MxC = 0,0725.46 + (1- 0,0725).18 = 20,03 (kg/kmol)
- Đoạn luyện : x = xtbL = 0,5125
MxL = 0,5125.46+ (1- 0,5125).18 = 32,35 (kg/kmol)

h : KÝch thớc dài, chấp nhận bằng 1m.

Prx

: Chuẩn số Prand đối với pha lỏng.

Hệ số cấp khối pha lỏng đoạn ch−ng lµ :

β xC

kmol
38000 . 916,0267 . 4,822.10 -10
=
.678,9 0,62 = 0,0477
kmol
20,03 . 1
m 2 .s.
kmol

⇒ HÖ sè cÊp khèi pha lỏng đoạn luyện là :

xL

kmol
38000 . 811,598 . 4,479.10 -10
=
.1061,19 0,62 = 0,032
kmol
32,35 . 1

m 2 .s.
kmol

3/ HÖ số chuyển khối Đờng cong động học Số ®Üa thùc tÕ :

21



a/ HƯ sè chun khèi :

Ky =

1
1 m
+
βy βx

kmol
(
kmol )
m 2 .s.
kmol

[II.162]

Trong ®ã :

β x , β y : HƯ số cấp khối pha lỏng và pha hơi (

kmol
kmol )
m 2 .s.
kmol

m : HƯ sè ph©n bè vËt chÊt.
b/ Sè đơn vị chuyển khối đối với mỗi đĩa trong pha h¬i :

m yT =

K y .f
Gy

=

22,4.( 273 + Ttb ).P0 ..K y
3600.w y .273.P

[I.173]

Trong đó :
f : Diện tích làm viƯc cđa ®Üa
f = F – (fh.n + m.fch )
fh: Mặt cắt ngang của chóp; chọn dh = 75mm


fh =

d h2
4

=

π ⎛ 75 ⎞

2

⎟ = 4,4179.10-3 (m2)
⎜
4 ⎝ 1000 ⎠

n: Số ống hơi phân bố trên đĩa;
n = 0,1.

Thay số: n = 0,1.

D2
2
dh

1,8 2
⎛ 75 ⎞
⎟
⎜
⎝ 1000 ⎠

2

[II.236]

= 36

m: Sè ống chảy truyền trên mỗi đĩa; chọn m = 1
fch: Mặt cắt ngang ống chảy truyền;
Tỷ số

f ch
f
= 0,05 ữ 0,2 → Chän ch = 0,06 → fch= 0,06.F;
F
F

22



Thay sè: f = 0,88.π

( )

22
− 4,4179.10 −3.58 = 1,98 m 2
4

Gy: Lu lợng hơi đi trong tháp;
Gy =

g tbc + g tbl 0,1037 + 0,1006
=
= 0,1021(Kmol/s)

2
2

c/ Đờng cong động học :
Với mỗi giá trị x, tơng ứng có A là điểm thuộc đờng làm việc, C là điểm thuộc đờng
cân bằng và B là điểm thuộc đờng cong động häc (ch−a biÕt), th× :

AC
m
= C y = e yT
BC
Cho x các giá trị : {0,05 ; 0,1 ; 0,2 ; 0,9}, với mỗi giá trị của x tính hƯ sè ph©n bè vËt
chÊt m (m chÝnh b»ng hƯ số góc của đờng cân bằng), tính hệ số chuyển khối K y , tính số
đơn vị chuyển khối myT và tỷ số Cy tơng ứng. Từ đó tìm đợc các điểm B tơng ứng thuộc
đờng cong động học, nằm giữa A và C. Nối chúng lại ta đợc đờng cong động học của
quá trình.

Bảng tổng hợp kết quả :

Đoạn chng
x%

5

10

Đoạn luyện
20

30

40

50

60

70

80

88,14

y%

8,2885 16,6294 28,8132 37,5198 46,2264 54,933

xcb%

0,6916 1,6478

3,7708

6,59

11,7732 23,5407 45,7031 64,7247 79,0149 87,66

ycb%

33,2

53,1

57,6

61,4

65,4

69,9

75,3

81,8

88,51

m

5,7827 3,3

1,4964

0,8577

0,5446

0,3995

0,4378

0,5599

0,7583

0,743

6,4

20,5

30,6

40,26

47,51

45,22

39.72

33,16

33,6

54,2

10,6

63,6396 73,3462 81,0518 88,14

Ky.103
myT

0,1255 0,2078

0,40188 0,5999

0,7893

0,9314

0,8865

0,7787

0,65

0,659

Cy

1,14

1,23

1,5

1,82

2,2

2,54

2,43

2,18

1,92

1,93

BC

21,88

22,42

16,19

11,03

6,897

4,12

2,576

1,36

0,389

0,39

23



Từ đờng nồng độ làm việc và đờng cong động học vừa vẽ, ta tìm đợc số đĩa thực tế của
tháp.
NTT = 72
Trong đó : Số đĩa đoạn chng : 14
Số đĩa đoạn luyện : 58

4/ Hiệu suất tháp chiỊu cao th¸p :
HiƯu st th¸p :

η=

N LT 23
=
= 31,94%
N TT 72

Theo các thông số của đĩa đà chọn :
- Khoảng cách giữa các đĩa lỗ là : Hđ = 450 mm
: = 2 mm

- Chiều dày mỗi đĩa lỗ là

Chiều cao tháp (Theo công thức II-169):
H = NTT (H® + δ) + 0,8 = 72 .(0,4 + 0,002) + 0,8 = 33 (m)
IV. trë lùc th¸p :

ΔP = N TT .ΔPd

(N/m2)

[II.192]

Trong ®ã :
NTT : Sè ®Üa thùc tế của tháp
Pd : Tổng trở lực của một đĩa (N/m2)

ΔPd = ΔPk + ΔPs + ΔPt

(N/m2)

ΔPk : Trë lùc của đĩa khô (N/m2)
Ps : Trở lực của đĩa do sức căng bề mặt (N/m2)
Pt : Trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa (trở lực thủy tĩnh) (N/m2)
1/ Trở lực của đĩa khô :

24