thiết kế hệ thống tháp chưng luyện liên tục để tách hỗn hợp hai cấu tử clorofom – cacbontetraclorua (thuyết minh 77 trang)

Sv: Nguyễn Thị Ngát Lớp ĐH Hoá K1
PHẦN 1
MỞ ĐẦU
Kỹ thuật hiện đại có nhiệm vụ nghiên cứu các quá trình sản xuất sản phẩm
hoá học mới, cải tiến quá trình cũ nhằm tăng năng suất chất lượng trong các ngành
hoá học. Các phương pháp chế biến hoá học rất khác nhau nhưng nhìn chung các
quá trình chế biến hoá học đều trải qua một số quá trình vật lý, hoá học nói chung
như lắng, lọc, đun nóng, làm nguội, chưng luyện…
Chưng là phương pháp dùng để tách các hỗn hợp chất 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(ở cùng nhiệt độ, áp suất hơi của các cấu tử khác nhau). Khi chưng
ta thu được nhiều sản phẩm, thường có bao nhiêu cấu tử sẽ có bấy nhiêu sản phẩm.
Với trường hợp hỗn hợp gồm hai cấu tử sẽ có: sản phẩm đỉnh gồm cấu tử có độ bay
hơi lớn và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi bé, sản phẩm đáy gồm cấu tử có độ
bay hơi bé và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi lớn hơn.
Trong sản xuất có nhiều phương pháp chưng: chưng đơn giản, chưng bằng
hơi nước trực tiếp, chưng luyện,…
Chưng luyện là phương pháp chưng phổ biến nhất dùng để tách hoàn toàn
các cấu tử dẽ bay hơi có tính chất hoà tan một phần hoặc hoà tan hoàn toàn vào
nhau.
Clorofom và Cacbontetraclorua là một trong những sản phẩm của ngành
công nghiệp tổng hợp hữu cơ. Chúng được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp hoá
học nói chung cũng như công nghiệp hữu cơ nói riêng như trong công nghiệp hoá
dầu, dược phẩm, phẩm nhuộm,…
Thông thường trong công nghiệp hữu cơ CHCl
3
và CCl
4
ở dạng hỗn hợp nên
muốn sử dụng chúng người ta cần thiết phải tách riêng biệt chúng. Để thực hiện
điều này, người ta có thể tiến hành chưng luyện hỗn hợp trong các tháp chưng luyện

liên tục hoặc gián đoạn.
Tháp chưng luyện liên tục có thể dùng loại tháp đệm, tháp chóp hoặc tháp
đĩa lỗ. Trong đó loại tháp chóp được sử dụng khá rộng rãi và cho hiệu suất cao
Đồ án hoá công Khoa công nghệ hoá
1
Sv: Nguyễn Thị Ngát Lớp ĐH Hoá K1
PHẦN 2
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT
Ở đây dùng tháp chưng luyện liên tục loại đĩa chop ở áp suất thường. Sơ đồ
nguyên lý dây chuyền sản xuất được trình bày trên hình 1. Quá trình làm việc của
dây chuyền như sau:
Nguyên liệu đầu được chứa vào thùng chứa 1 và được bơm 2 bơm lên thùng
cao vị 3. Mức chất lỏng cao nhất và thấp nhất ở thùng cao vị được khống chế tự
động nhờ thiết bị TĐ thông qua việc chỉnh tự động bơm 2. Từ thùng cao vị, hỗn hợp
đầu qua thiết bị đun nóng dung dịch đầu 4. Tại đây dung dịch được gia nhiệt bằng
hơi nước bão hoà ở nhiệt độ sôi. Sau đó vào tháp chưng luyện 5ở đĩa tiếp liệu.
Tháp chưng luyện gồm hai phần: phần từ đĩa tiếp liệu trở lên gọi là đoạn
luyện, phần từ đĩa tiếp liệu trở xuống gọi là đoạn chưng.
Ở đoạn chưng có bộ phận đun bốc hơi 9. Bộ phận này được gia nhiệt bằng
hơi nước.
Như vậy trong tháp hơi đi từ dưới lên gặp chất lỏng đi từ trên xuống. Vì theo
chiều cao tháp , nhiệt độ càng lên cao càng thấp nên hơi khi đi qua các đĩa từ dưới
lên, cấu tử có nhiệt độ sôi cao sẽ ngưng tụ lại và cuối cùngở trên đỉnh ta thu được
hỗn hợp gồm hầu hết các cấu tử dễ bay hơi là CHCl
3
. Hơi này đi vào thiết bị ngưng
tụ hơi 6( hơi đi ngoài ống, nước lạnh đi trong ống và từ dưới lên). Ở đây hơi được
ngưng tụ lại. Một phần chất lỏng sau khi ngưng tụ hồi lưu về tháp ở đĩa trên cùng,
một phần khác đi qua thiết bị làm lạnh 8 để làm lạnh đến nhiệt độ cần thiết rồi đi
vào thùng chứa sản phẩm đỉnh.

Chất lỏng đi từ trên xuống gặp hơi có nhiệt độ cao hơn, một phần cấu tử có
nhiệt độ sôi thấp( cấu tử dễ bay hơi ) được bốc hơi và do đó nồng độ cấu tử khó bay
hơi trong chất lỏng ngày càng tăng. Cuối cùng ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng
gồm hầu hết cấu tử khó bay hơi là CCl
4
.Thiết bị gia nhiệt 9 để đun sôi tuần hoàn và
bốc hơi hỗn hợp đáy tháp. Một phần chất lỏng tháo ra ở đáy nồi và được cung cấp
vào phần dưới của tháp. Một phần khác được tháo ra liên tục đưa vào thùng chứa
Đồ án hoá công Khoa công nghệ hoá
2
Sv: Nguyễn Thị Ngát Lớp ĐH Hoá K1
sản phẩm đáy 11 khống chế bằng các van. Nước ngưng tụ của các thiết bị gia nhiệt
được tháo qua các thiết bị tháo nước ngưng tự động 12.
Ở thiết bị chưng luyện này: hỗn hợp đầu vào liên tục và các sản phẩm đỉnh
và đáy lấy ra liên tục

Đồ án hoá công Khoa công nghệ hoá
3
Sv: Nguyễn Thị Ngát Lớp ĐH Hoá K1
PHẦN 3
TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH
I. Tính toán cân bằng vật liệu
• Năng suất đầu: G
F
=4,75 kg/s
• Nồng độ hỗn hợp đầu: a
F
=0,325
• Nồng độ sản phẩm đỉnh: a
P

=0,98
• Nồng độ sản phẩm đáy:
W
a
=0,02
(theo cấu tử dễ bay hơi, tính theo phần khối lượng)
1. Xác định lượng sản phẩm
Chuyển nồng độ khối lượng sang nồng độ phần mol:

B
B
A
A
A
A
A
M
a
M
a
M
a
x
+
=
[II-126]

BA
aa
,

: nồng độ % khối lượng của cấu tử dễ bay hơi và khó bay hơi.

BA
MM
,
; khối lượng phân tử của cấu tử dễ bay hơi và khó bay hơi

5,119
3
==
CHClA
MM
,
Ct
s
0
7,61=

154
4
==
CClB
MM
,
Ct
s
0
5,76=
Áp dụng công thức trên ta tính được;

43
3
1
CCl
F
CHCl
F
CHCl
F
F
M
a
M
a
M
a
x
−
+
=
=
154
325,01
5,119
325,0
5,119
325,0
−
+
=0,3829

43
3
1
CCl
P
CHCl
P
CHCl
P
P
M
a
M
a
M
a
x
−
+
=
=
154
98,01
5,119
98,0
5,119
98,0
−
+

=0,9844
Đồ án hoá công Khoa công nghệ hoá
4
Sv: Nguyễn Thị Ngát Lớp ĐH Hoá K1

154
02,01
5,119
02,0
5,119
02,0
1
43
3
−
+
=
−
+
=
CCl
W
CHCl
W
CHCl
W
W
M
a
M

a
M
a
x
=0,0256
Lượng hỗn hợp đầu tính theo kmol/s
F=
F
F
M
G
(kmol/s)
M
F
: khối lượng mol trung bình của hỗn hợp đầu (kmol/s)
43
).1(.
CClFCHClFF
MxMxM −+=
M
F
=0,3829.119,5+(1-0,3829).154=140,79 (kg/kmol)

F
=
F
F
M
G
=

0337,0
79,140
75,4
=
(kmol/s)
2. Tính cân bằng vật liệu toàn thiết bị .
• Tính theo kg/s:
WPF
GGG +=
[II-144,IX.16]
Tính theo cấu tử dễ bay hơi:
WWPPFF
aGaGaG +=
[II-144,IX.17]
509,1
02,098,0
02,0325,0
.75,4. =
−
−
=
−
−
=
WP
WF
FP
aa
aa
GG

(kg/s) [II-144,IX.17]
G
W
= G
F
- G
P
= 4,75 – 1,509 =3,241 (kg/s)
• Tính theo kmol/s: F = P + W
WPF
xWxPxF +=

0126,0
0256,09844,0
0256,03829,0
.0337,0. =
−
−
=
−
−
=
WP
WF
xx
xx
FP
(kmol/s)
W = F – P =0,0337 – 0,0126 = 0,0211(kmol/s)
3. Tính chỉ số hồi lưu tối thiểu.

Vẽ đường cân bằng y = f(x) theo số liệu từ bảng IX-2a
Đồ án hoá công Khoa công nghệ hoá
5
Sv: Nguyễn Thị Ngát Lớp ĐH Hoá K1
x 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
y 0.0 13.5 26.5 39.5 52.0 63.5 72.5 81.0 88.5 95.0 100.0
t 76.8 74.4 72.6 70.6 68.6 66.9 65.3 63.9 62.6 61.5 60.8
Đường nồng độ làm việc của đoạn luyện đi qua điểm x=y=x
P
=0,9844
Đường nồng độ làm việc của đoạn chưng đi qua điểm x=y=
W
x
=0,0256
Giao điểm của 2 đường làm việc có toạ độ x=y=x
F
=0,3829
Một số giả thiết:
• Hỗn hợp đầu đi vào tháp ở nhiệt độ sôi
• Số mol của pha hơi đi từ dưới lên bằng nhau trong mọi tiết diện của tháp
• Toàn bộ hơi đi ra khỏi tháp được ngưng tụ hoàn toàn
• Đun sôi ở đáy tháp bằng hơi gián tiếp
• Số mol chất lỏng không đổi theo chiều cao trong đoạn luyện và đoạn
chưng
• Sản phẩm đáy đi ra khỏi tháp là hoàn toàn lỏng

FF
FP
xy
yx

R
−
−
=
*
*
min
[II-158, IX.24]
R
thích hợp
=
min
.R
β

)5.21( ÷
β
[II-158, IX.25a]
Từ đồ thị : y
*
=0.4988

19,4
3829,04988,0
4988,09844,0
min
=
−
−
=R

Từ đó ứng với mỗi đường nồng độ làm việc ta tìm được một số đĩa lý thuyết
khác nhau. Ta có kết quả trong bảng sau:
β
1.2 1.5 1.6 1.7 1.8 2 2.2 2.5
R 5.028 6.285 6.704 7.123 7.542 8.38 9.218 10.475
N
lt
43 32 30 28 27 26 24 23
N
lt
(R=1) 259.204 233.12 231.12 227.444 230.634 243.88 245.2 263.925
Từ đồ thị quan hệ giữa N
lt
(R=1) và R
x
Ta tìm được :
Đồ án hoá công Khoa công nghệ hoá
6
Sv: Nguyễn Thị Ngát Lớp ĐH Hoá K1
R
th
=7,123
4. Phương trình nồng độ làm việc của đoạn luyện .

1
.
1 +
+
+
=

x
P
x
x
R
x
x
R
R
y
[II-144, IX.20]
Trong đó : x: nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng chảy từ
đĩa xuống
y: nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi đi từ dưới
lên đĩa

1123,7
9844,0
.
1123,7
123,7
+
+
+
= xy
y=0,877.x+0,121
5. Phương trình nồng độ làm việc của đoạn chưng .

W
xx

x
x
R
f
x
R
fR
y .
1
1
.
1 +
−
+
′
+
+
=
′
[II-158, IX.22]

P
F
f =
:lượng hỗn hợp đầu tính theo 1 đơn vị sản phẩm đỉnh

6746,2
0126,0
0377,0
==f

0256,0.
1123,7
6746,21
.
1123,7
6746,2123,7
+
−
+
′
+
+
=
′
xy

0053,0.206,1 −
′
=
′
xy
II. Tính đường kính tháp
Đường kính tháp được xác định theo công thức:

tbyy
tb
g
D
).(

0188,0
ωρ
=
(m) [II-181, IX.90]
Trong đó: g
tb
: lượng hơi trung bình đi trong tháp (kg/h)

tbyy
).(
ωρ
: tốc độ hơi trung bình đi trong tháp (kg/m
2
.s)
1. Tính dường kính đoạn luyện .
a. Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện .
Đồ án hoá công Khoa công nghệ hoá
7
Sv: Nguyễn Thị Ngát Lớp ĐH Hoá K1
2
1
gg
g
d
tb
+
=
(kg/h) [II-181, IX.91]
Trong đó: g
d

:lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (kg/h)

1
g
:lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện (kg/h)
Lượng hơi đi vào đoạn luyện được xác định theo hệ phương trình cân bằng
vật liệu và nhiệt lượng sau:






=
+=
+=
dd
pp
P
rgrg
aGxGyg
GGg
11
1111
11
.
[IX.93,94,95]
F
g
1

G
1
G
d
G
x
P
G
1
: lượng lỏng đi vào đĩa 1 của đoạn luyện (kg/h)
G
p
:lượng sản phẩm đỉnh (kg/h)
G
x
: lượng lỏng hồi lưu (kg/h)

)/(2576,12)123,71(5096,1)1( skgRGGGg
thppxd
=+=+=+=


1
x

:hàm lượng lỏng đối với đĩa thứ nhất của đoạn luyện (kg/kg)
1
r
: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất (kcal/kmol)

d
r
:ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp đi khỏi đỉnh tháp (kcal/kmol)
Ta có:
ba
ryyrr )1(
111
−+=
Đồ án hoá công Khoa công nghệ hoá
8
Sv: Nguyễn Thị Ngát Lớp ĐH Hoá K1

bddad
ryyrr )1( −+=
ba
rr ,
:ẩn nhiệt hoá hơi của CHCl
3
và CCl
4
(kcal/kmol)
1
y
:hàm lượng hơi đi trong đoạn luyên
d
y
:hàm lượng hơi trên đỉnh tháp
98,0===
FPd
ayy

(kg/kg)
F1
ax =
=0,325 (kg/kg)
Ta có nhiệt độ sôi của hỗn hợp tại
PWF
xxx ,,
là:(tra từ đồ thị t,x,y)

F
t
=68,9249
0
C

P
t
=60,8789
0
C

W
t
=76,2645
0
C
Ta có:

)60(3
0

CHCl
r
=59,1 (kcal/kg)
r
CHCl3(100)
=55,2 (kcal/kg)
⇒

tFCHCl
r
,3
23,581,59)609249,68(
60100
1,592,55
=+−
−
−
=
(kcal/kg)
r
CHCl3,tP
=
0143,591,59)608789,60(
60100
1,592,55
=+−
−
−
(kcal/kg)

tWCHCl
r
,3
51,571,59)602645,76(
60100
1,592,55
=+−
−
−
=
(kcal/kg)
Ta có:
r
CCl4(60)
=48,2 (kcal/kg)
r
CCl4(100)
=44,3 (kcal/kg)
⇒
r
CCl4,tF
=
2,48)609249,68(
60100
2,483,44
+−
−
−
=47,3298 (kcal/kg)
r

CCl4,tP
=
2,48)608789,60(
60100
2,483,44
+−
−
−
=48,1143 (kcal/kg)

tWCCl
r
,4
=
6142,462,48)602645,76(
60100
2,483,44
=+−
−
−
(kcal/kg)
Đồ án hoá công Khoa công nghệ hoá
9
Sv: Nguyễn Thị Ngát Lớp ĐH Hoá K1
⇒
r
1
=r
a
y

1
+(1-y
1
)r
b
=58,23y
1
+(1-y
1
)47,3298
=10,9002y
1
+47,3298 (kcal/kg)
⇒
r
d
=r
a
y
d
+(1-y
d
)r
b



=

59,0143.0,98+(1-0,98)48,1143

=58,7963 (kcal/kg)
Thay các giá trị vào hệ phương trình ta được:

⇒





=
+=
+=
dd
pp
P
rgrg
aGxGyg
GGg
11
1111
11
.
⇒





=+
+=

+=
7963,58.2576,12)3298,479002,10(
98,0.509,1325,0
509,1
11
111
11
yg
Gyg
Gg





=
=
=
⇒
)/(4463,12
)/(3958,0
)/(9553,13
1
1
1
skgG
kgkgy
skgg
⇒
r

1
=10,9002.0,3958+47,3298=51,6444 (kcal/kg)
⇒
Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện:

2
1
gg
g
d
tb
+
=
=
10645,13
2
2576,129553,13
=
+
( kg/s)
b.Tính khối lượng riêng trung bình đối với pha hơi
273.
.4,22
)1(
4131
T
MyMy
CCltbCHCltb
ytb
−+

=
ρ
[IX.102]
T :nhiệt độ làm việc trung bình của đoạn luyện(k)
y
tb1
:nồng độ phần mol của CHCl
3
y
tb1
=
2
11 cd
yy +
y
d1
,y
c1
:nồng độ tại hai đầu tháp
Đồ án hoá công Khoa công nghệ hoá
10
Sv: Nguyễn Thị Ngát Lớp ĐH Hoá K1
• Nồng độ phần mol trung bình của cấu tử CHCl
3
trong pha lỏng
x
tb
=
68365,0
2

3829,09844,0
2
=
+
=
+
PF
xx
Ứng với x
tb
=0,68365 (tra từ đồ thị t-x-y) ta được t
tb
=64,1194
0
C
y
d1
=y
P
=x
P
=0,9844
y
c1
=y
1
=0,3958 (kg/kg)
Đổi y
1
từ phần khối lượng sang phần mol:

y
1
=
4578,0
154
3958,01
5,119
3958,0
5,119
3958,0
=
−
+
( kmol/kmol)
⇒
y
tb1
=
7211,0
2
4578,09844,0
2
11
=
+
=
+
cd
yy
(kmol/knol)

T=273+64,1194=337,1194K
Vậy ta có:

273.
.4,22
)1(
4131
T
MyMy
CCltbCHCltb
ytb
−+
=
ρ
=
273.
1194,337.4,22
154).7211,01(5,119.7211,0 −+

=4,668 (kg/m
3
)
c.khối lượng riêng trung bình của pha lỏng.

2
1
1
1
1
1

xtb
tb
xtb
tb
xtb
aa
ρρρ
−
+=
[IX-104a]
xtb
ρ
:khối lượng riêng của chất lỏng
21
,
xtbxtb
ρρ
:khối lượng riêng trung bình của cấu tử CHCl
3
,CCl
4
lấy theo nhiệt
độ trung bình
a
tb1
:phần khối lượng của CHCl
3
trong lỏng
a
tb1

=
6525,0
2
325,098,0
2
F
=
+
=
+ aa
P
Với t
tb
=64,1194
0
C ta có
Đồ án hoá công Khoa công nghệ hoá
11
Sv: Nguyễn Thị Ngát Lớp ĐH Hoá K1
525,1507
61,1404
2
1
=
=
xtb
xtb
ρ
ρ
( kg/m

3
) [Bảng I.2]
⇒
525,1507
6525,01
61,1404
6525,01 −
+=
xtb
ρ

⇒
74,1438=
xtb
ρ
kg/m
3
d. Tốc độ hơi đi trong đoạn luyện

[ ]
ytbxtbtbyx
h
ρρσϕωρ
065,0)( =
(kg/m
2
s) [IX-105]
xtb
ρ
,

ytb
ρ
:là khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha hơi tính theo
nhiệt độ trung bình (kg/m
3
)
h :khoảng cách giữa các đĩa (m)
Giá trị h chọn theo đường kính tháp, chọn h=0,6m
Với t
tb
=64,1194
0
C tra bảng
7,21)60(
0
3
=C
CHCl
σ
(đyn/cm)
19)80(
0
3
=C
CHCl
σ
(đyn/cm)
1439,217,21)601194,64(
2080
7,2119

)1194,64(
0
3
=+−
−
−
=⇒ C
CHCl
σ
(đyn/cm)
4,22)60(
0
4
=C
CCl
σ
(đyn/cm)
6,19)80(
0
4
=C
CCl
σ
(đyn/cm)

8233,214,22)601194,64(
2080
4,226,19
)1194,64(
0

4
=+−
−
−
=⇒ C
CCl
σ
(đyn/cm)

⇒

8233,21
6525,01
1439,21
6525,0
1
1
4
1
3
1
−
+=
−
+=
CCL
tb
CHCL
tb
aa

σσσ
[I-129]

3751,21=
σ
(đyn/cm) >20

⇒
ch ọn
)(
σϕ
=1

⇒

1262,4668,4.74,1438.6,01.065,0)( ==
tbyx
ωρ
(kg/m
2
s)

e. Đường kính đoạn luyện.
Đồ án hoá công Khoa công nghệ hoá
12
Sv: Nguyễn Thị Ngát Lớp ĐH Hoá K1


tbyy
tb

g
D
).(
0188,0
ωρ
=
= 0,0188
1262,4
3600.10645,13
=2,01(m)
Quy chuẩn D=2m
f. Tính lại tốc độ hơi.

8843,0
668,4.01,2
3600.10645,13.0188,0
.
.0188,0
2
2
2
2
===
ytb
tb
ytb
D
g
ρ
ω

(m/s)
2. Tính đường kính đoạn chưng .
a. Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng.

2
1 n
tb
gg
g
′
+
′
=
(kg/s) [IX-96]

1
g
′
:lượng hơi đi vào đoạn chưng(kg/s)

n
g
′
:lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng

n
g
′
=
1

g
Tính theo hệ phương trình:






=
′′
=
′′
+
′
=
′′
+
′
=
′
1111
111
11
.
rgrgrg
aGygxG
GgG
nn
WWW
W

[IX98,99,100]

0349,0
*
1
==
′
W
yy
tra từ đường cân bằng ứng với
W
x

1
G
′
:lượng lỏng đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng (kg/s)
Gw :lượng sản phẩm đáy(kg/s)
1
x
′
:hàm lượng lỏng đối với đĩa 1 của đoạn chưng
Đồ án hoá công Khoa công nghệ hoá
13
Sv: Nguyễn Thị Ngát Lớp ĐH Hoá K1
1
r
′
: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa 1 của đoạn chưng (kcal/kg)
0445,0

154
0349,01
5,119
0349,0
5,119
0349,0
1
=
−
+
=
′
y
kg/kg
4
11
3
1
)1(.
CClCHCl
ryyrr
′
−+
′
=
′
(tw)
=57,51.0,0445+(1-0,0445)46.6142=47,099 (kcal/kg)
n
r

′
:ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp đi vào đĩa trên cùng của đoạn
chưng(kcal/kg)
713,7206444,51.9552,13
11
===
′′
rgrg
nn

⇒





=
′
+
′
=
′′
+
′
=
′
713,720099,47
02,0.241,30445,0.
241,3
1

111
11
g
gxG
gG

⇒






=
′
=
′
=
′
)/(0402,0
)/(5431,18
)/(3021,15
1
1
1
kgkgx
skgG
skgg

2

1 n
tb
gg
g
′
+
′
=
=
6287,14
2
9553,133021,15
=
+
(kg/s)
b. Khối lượng riêng trung bình đối với pha hơi của đoạn chưng .
Ta có:
20425,0
2
0256,03829,0
2
=
+
=
+
=
WF
tb
xx
x

Tra từ đồ thị t-x-y ta được t
tb
=72,5135
0
C

2
11 cd
tb
yy
y
+
=
y
d1
,y
c1
:nồng độ phần mol của CHCl
3
trong pha hơi ở hai đầu đoạn chưng
y
d1
=
0349,0=
W
y
y
c1
=y
1

=0,4578 (kmol/kmol)

24635,0
2
4578,00349,0
2
11
=
+
=
+
=
cd
tb
yy
y
(kmol/kmol)
Đồ án hoá công Khoa công nghệ hoá
14
Sv: Nguyễn Thị Ngát Lớp ĐH Hoá K1
T=273+72,5135=345,5135K

1323,5273.
5135,345.4,22
154).24635,01(5,119.24635,0
=
−+
=
ytb
ρ

(kg/m
3
)
c.Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (đoạn chưng).

1725,0
2
02,0325,0
2
F
1
=
+
=
+
=
W
tb
aa
a
Với t
tb
=72,5135
0
C nội suy ta được:
22,1488
6,1391
2
1
=

=
xtb
xtb
ρ
ρ
kg/m
3
Vậy:
22,1488
1725,01
6,1391
1725,01 −
+=
xtb
ρ
.
61,1470=⇒
xtb
ρ
kg/m
3
d. Tốc độ hơi đi trong đoạn chưng.

1323,5=
ytb
ρ
kg/m
3

61,1470=

xtb
ρ
kg/m
3
t
tb
=72,5135
0
C

648,20
01,20
4
3
=
=⇒
CCl
CHCl
σ
σ
(đyn/cm)
648,20
1725,01
01,20
1725,0
1
1
4
1
3

1
−
+=
−
+=⇒
CCl
tb
CHCl
tb
aa
σσσ
[I-129]
σ
=20,535 >20 do đó ta chọn
[ ]
1=
σϕ

⇒
37415,461,1470.1323,5.6,01.065,0)( ==
tbyx
ωρ
( kg/m
2
s)
e. Đường kính đoạn chưng.

tbyy
tb
g

D
).(
0188,0
ωρ
=
=0,0188.
37415,4
3600.6287,14
=2,06(m)
Quy chuẩn D=2m
Đồ án hoá công Khoa công nghệ hoá
15
Sv: Nguyễn Thị Ngát Lớp ĐH Hoá K1
f.Tính lại lượng hơi đi trong tháp.

8546,0
1323,5.06,2
3600.6287,14.0188,0
.
.0188,0
2
2
2
2
===
ytb
tb
ytb
D
g

ρ
ω
(m/s)
III. Tính chiều cao tháp.
1.Chiều cao đoạn luyện.
• Ở phần đưòng kính ta có:
g
ytb
=13,10645kg/s
y
tb
=0,7211kmol/kmol ,x
tb
=0,68365 kmol/kmol
3
/668,4 mkg
ytb
=
ρ
3
/74,1438 mkg
xtb
=
ρ
1.1 Độ nhớt.
a.xét pha hơi.

2
22
1

11

µµµ
MmMm
M
hh
hh
+=
[I-85]
M
hh
,M
1
,M
2
:khối lượng mol của hỗn hợp khí và cấu tử trong hỗn hợp.
21
,,
µµµ
hh
:độ nhớt tương ứng
m
1
,m
2
:phần thể tích của các cấu tử trong hỗn hợp.
M
hh
=y
tb

.M
CHCl3
+(1-y
tb
)M
CCl4
=0,7211.119,5+(1-0,7211)154
=129,22
Coi hơi là lý tưởng: m
1
=ytb=0,7211
m
2
=1-y
tb
=0,2789
Ở 64,1194
0
C (tra bảng trang 115 –HCI)
7
3
10.236,114110)501194,64(
50100
110125
−
=+−
−
−
=⇒
CHCl

µ
(Ns/m
2
)

7
4
10.389,111108)501194,64(
50100
108120
−
=+−
−
−
=
CCl
µ
(Ns/m
2
)
77
10.389,111
154.2789,0
10.236,114
5,119.7211,022,129
−−
+=⇒
hh
µ
7

10.2729,113
−
=⇒
hh
µ
(Ns/m
2
)
b.Xét pha lỏng.
Đồ án hoá công Khoa công nghệ hoá
16
Sv: Nguyễn Thị Ngát Lớp ĐH Hoá K1

2211
lglglg
µµµ
xx
hh
+=
[I-84]
21
,
µµ
: độ nhớt của từng cấu tử.
x
1
,x
2
:nồng độ phần mol của các cấu tử trong hỗn hợp
t

tb
=64,1194 tra bảng I .101,trang 91 HCI ta được:
Nội suy:

3
3
10.3776,039,0)601194,64(
6080
39,033,0
−
=+−
−
−
=
CHCl
µ
(Ns/m
2
)

3
4
10.5657,055,0)601194,64(
6080
55,0472,0
−
=+−
−
−
=

CCl
µ
(Ns/m
2
)
x
1
=x
tb
=0,68365
x
2
=1-x
tb
=0,31635
33
10.5657,0lg31635,010.3776,0lg68365,0lg
−−
+=
hh
µ

4
10.2922,4
−
=⇒
hh
µ
(Ns/m
2

)
1.2 Hệ số khuếch tán của khí vào hơi.

BA
BA
y
MM
VVp
T
D
11
)(
.10.0043,0
23/13/1
5,14
+
+
=
−
(m
2
/s) [II -T118]
M
A
,M
B
: khối lượng mol của CHCl
3
,CCl
4

V
A
,V
B
: thể tích mol của các khí (m
3
)
P: áp suất chung (atm)
T:nhiệt độ (K) =64,1194+273=337,1194
0
C
Thể tích mol tính theo công thức:
V=
∑
i
Vn.

n: số nguyên tử cùng loại
V
i
:thể tích nguyên tử (tra bảng 17-QTTB Tập 2)
Ta có :p=1
V
A
=V
CHCl3
=1.14,8+3,7+3.24,6=92,3 (cm
3
/mol)
V

B
=V
CCl4
=1.14,8+4.22,6=113,2 (cm
3
/mol)
Vậy:

154
1
5,119
1
)2,1133,92(1
1194,337.10.0043,0
23/13/1
5,14
+
+
=
−
y
D
=3,706.10
-6
m
2
/s
Đồ án hoá công Khoa công nghệ hoá
17
Sv: Nguyễn Thị Ngát Lớp ĐH Hoá K1

1.3 Hệ số cấp khối.
a. Hệ số cấp khối của pha hơi.
Tính cho 1 m
2
diện tích làm việc của đĩa chóp.

)11000Re.79,0(
4,22
+=
y
y
y
D
β
(
kmol
kmol
sm
kmol
2
) [IX-42]
D
y
:hệ số khuếch tán trung bình trong pha hơi
Ta có:

y
yy
y
h

µ
ρω

Re =
y
ω
:vận tốc hơi tính cho mặt cắt tự do của tháp

y
ω
=0,8843m/s
h: kích thước dài, chấp nhận h=1m
y
ρ
: khối lượng riêng trung bình của pha hơi

)/(668,4
3
mkg
ytb
=
ρ

7
10.2729,113
−
=
y
µ
( NS/m

2
)
7
7
10.0364,0
10.2729,113
668,4.1.8843,0
Re ==⇒
−
y
04945,0)1100010.0364,0.79,0(
4,22
10.706,3
7
6
=+=⇒
−
y
β













kmol
kmol
sm
kmol
2
b.Hệ số cấp khối của pha lỏng

62,0
Pr.
.
38000
x
x
xx
x
hM
D
ρ
β
=













kmol
kmol
sm
kmol
2
[IX-44]
M
x
:khối lượng mol trung bình của lỏng
M
x
=x
tb
.M
1
+(1-x
tb
)M
2
=0,68365.119,5+(1-0,68365)154
=130,414 kg/mol
h: kích thước dài, chấp nhận h=1m
Đồ án hoá công Khoa công nghệ hoá
18
Sv: Nguyễn Thị Ngát Lớp ĐH Hoá K1

3

/74,1438 mkg
xtbx
==
ρρ
D
x
: hệ số khuếch tán trung bình của pha lỏng.

[ ]
)20(1
20
−+= tDD
x
[VIII-15]
b=0,017 (tra bảng VIII-8)
D
20
=D
AB
được xác định như sau:

23/13/1
6
20
)(
11
10.1
BAB
BA
BA

VVAB
MM
DD
+
+
==
−
µ
[VIII-14]
D
AB
: hệ số khuếch tán của khí trong lỏng (m
2
/s)
M
A
,M
B
: khối lượng mol của các cấu tử(kg/mol)
A,B: hệ số hiệu chỉnh của khí khuếch tán và của dung môi
B
µ
:độ nhớt của dung môi ở 20
0
C( cp)
V
A
,V
B
:thể tích mol (cm

3
/mol)
Ta có: A=1,B=0,94
V
A
=92,3(cm
3
/mol)
V
B
=113,2(cm
3
/mol)

B
µ
=0,97cp (I-101-HCI-T91)

9
23/13/1
6
20
10.504,1
)2,1133,92(97,094,0.1
154
1
5,119
1
10.1
−

−
=
+
+
==
BA
DD
(m
2
/s)
Vậy:
[ ] [ ]
99
20
10.632,2)201194,64(017,0110.504,1)20(1
−−
=−+=−+= tDD
x
(m
2
/s)
• Chuẩn số pran:

xx
x
x
D.
Pr
ρ
µ

=
Pr
x
: chuẩn số pran đối với pha lỏng
x
µ
:độ nhớt trung bình của lỏng (Ns/m
2
)=4,2922.10
-4
(Ns/m
2
)
x
ρ
:khối lượng riêng trung bình của pha lỏng

⇒

3474,113
10.632,2.74,1438
10.2922,4
Pr
9
4
==
−
−
x
Đồ án hoá công Khoa công nghệ hoá

19
Sv: Nguyễn Thị Ngát Lớp ĐH Hoá K1
0207,03474,113.
1.414,130
10.632,2.74,1438.38000
62,0
9
==⇒
−
x
β
kmol
kmol
sm
kmol
2
1.4 Hệ số chuyển khối.

0207,004945,0
1
1
1
1
i
x
i
y
y
mm
K

+
=
+
=
ββ
[IX-93]
m
i
: hệ số phân bố vật chất phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất, nồng độ.
1.5 Tính đường kính ống chảy chuyền.

ccx
xtb
c
z
g
d
3600
.4
ωρπ
=
[IX-217]
g
xtb
: lưu lượng lỏng đi trong đoạn luyện (kg/h)

2
1 x
xtb
GG

g
+
=
G
1
: lưu lượng lỏng đi vào đĩa thứ nhất của đoạn luyện
G
1
=12,4463 kg/s
G
x
: lượng lỏng hồi lưu
G
x
=R
x
.G
p
=7,123.1,509=10,7486 kg/s
hkgskgg
xtb
/82,417503600.59745,11/59745,11
2
7486,104463,12
===
+
=
x
ρ
=1438,74 kg/m

3
z
c
: số ống chảy chuyền phụ thuộc vào đường kính tháp, chọn z
c
=1
c
ω
:tốc độ chất lỏng trong ống chảy chuyền
Chọn
c
ω
=0,2m/s

md
c
23,0
1.2,0.74,1438 3600
82,41750.4
==⇒
π
Quy chuẩn:d
c
=0.2m
1.6 Tính số đơn vị chuyển khối.

ytb
Ly
yt
g

fK
m
.
=
IX-65a
g
ytb
: lượng hơi trung bình của đoạn luyện (kmol/s)
Đồ án hoá công Khoa công nghệ hoá
20
Sv: Nguyễn Thị Ngát Lớp ĐH Hoá K1
g
ytb
=13,10645kg/s=
)/(1015,0
22,129
10645,13
skmol=
K
y
: hệ số chuyển khối (kmol/m
2
s)
f
L
=F-(f
ch
.m+f
h
.n)

F: diện tích mặt bề mặt cắt ngang của tháp.
2
22
1415,3
4
0,2.
4
.
m
D
F ===
ππ
f
ch
: diện tích mặt cắt ngang của ống chảy chuyền.
2
2
2
0314,0
4
2,0.
4
.
m
d
f
c
ch
===
π

π
d
h
: đường kính của ống hơi, chọn d
h
=0,1m
2
2
2
00785,0
4
1,0.
4
.
m
d
f
h
h
===
π
π

n: số ống hơi trên mỗi đĩa
40
1,0
2
.1,0.1,0
2
2

2
2
===
h
d
D
n
[IX-212]
Quy chuẩn: n=40
m: số ống chảy chuyền trên mỗi đĩa, chọn m=1
2
8,2)40.00785,01.0314,0(1415,3 mf
L
=+−=
i
i
yy
ytb
Ly
yT
m
m
KK
g
fK
m
+
=
+
====

4186,0
5848,0
0207,004945,0
1
1
.25,28.25,28
1015,0
8,2
.
.
2.Xét đoạn chưng.
g
ytb
=14,6287(kg/s)=0,10054(kmol/s)
x
tb
=0,20425
y
tb
=0,24635
3
/1323,5 mkg
ytb
=
ρ
3
/61,1470 mkg
xtb
=
ρ

t
c
=72,5135
0
C
2.1 Độ nhớt.
a. Pha hơi.
Đồ án hoá công Khoa công nghệ hoá
21
Sv: Nguyễn Thị Ngát Lớp ĐH Hoá K1
Ở t
c
=72.5135
0
C tra bảng I-113 và nội suy ta được:
27
3
/10.754,116110)505135,72(
50100
110125
mNs
CHCl
−
=+−
−
−
=
µ
27
4

/10.403,113108)505135,72(
50100
108120
mNs
CCl
−
=+−
−
−
=
µ
Ta có:
43
)1(.
CCltbCHCltb
MyMyM −+=
=0,24635.119,5+(1-0,24635).154=145,5

2
11
1
11

µµµ
MmMm
M
+=⇒
Coi hơi là lý tưởng:m
1
=y

tb
=0,24635
m
2
=1-y
tb
=0,75365
77
10.403,113
154.75365,0
10.754,.116
5,119.24635,05,145
−−
+=⇒
µ

27
/10.0647,114 mNs
y
−
=⇒
µ
b. Xét pha lỏng.
Với t
tb
=72,5135
0
C tra bảng I-101và nội suy ta dược:
23
3

/10.3525,0 mNs
CHCl
−
=
µ
23
4
/10.5162,0 mNs
CCl
−
=
µ
• Độ nhớt của pha lỏng được tính theo công thức sau:

2211
lglglg
µµµ
xx
hh
+=
[I-12]
x
1
=x
tb
=0,20425
x
2
=1-x
tb

=0,79575
24
33
/10.775,4
10.5162,0lg79575,010.3525,0lg20425,0lg
mNs
hh
hh
−
−−
=⇒
+=
µ
µ
2.2 Hệ số khuếch tán của khí vào hơi.

BA
BA
y
MM
VVp
T
D
11
)(
.10.0043,0
23/13/1
5,14
+
+

=
−
(m
2
/s ) [VIII-5-127]
T=273+72,5135=345,5135K
P=1atm
V
A
=92,3cm
3
/mol
Đồ án hoá công Khoa công nghệ hoá
22
Sv: Nguyễn Thị Ngát Lớp ĐH Hoá K1
V
B
=113,2 cm
3
/mol
sm
D
y
/10.8455,3
154
1
5,119
1
.
)2,1133,92(1

5135,345.10.0043,0
26
23/13/1
5,14
−
−
=
+
+
=
2.3 Hệ số cấp khối.
a. Pha hơi:tính cho 1m
2
diện tích bề mặt làm việc của đĩa

)11000Re.79,0(
4,22
+=
y
y
y
D
β
kmol
kmol
sm
kmol
2
[IX-42]

7
7
10.03845,0
10.0647,114
1323,5.1.8455,0

Re ===
−
y
yy
y
h
µ
ρω
)1100010.03845,0.79,0(
4,22
10.8455,3
7
6
+=⇒
−
y
β

=0,054
kmol
kmol
sm
kmol
2

b.Pha lỏng.
62,0
Pr.
.
38000
x
x
xx
x
hM
D
ρ
β
=
kmol
kmol
sm
kmol
2
[IV-44]

[ ]
)20(1
20
−+= tDD
x
[VIII-15]
b=0,017 (tra bảng VIII-8)
D
20

=D
AB
được xác định như sau:

sm
VVAB
MM
DD
BAB
BA
BA
/10.504,1
)2,1133,92(97,0.94,0.1
154
1
5,119
1
10.1
)(
11
10.1
29
23/13/1
6
23/13/1
6
20
−
−
−

=
+
+
+
+
==
µ
[VIII-14]
[ ]
smD
x
/10.8467,2)205135,72(017,0110.504,1
299 −−
=−+=⇒
0602,114
10.8467,2.61,1470
10.775,4
.
Pr
9
4
===⇒
−
−
xx
x
x
D
ρ
µ

Ta có :M
x
=x
tb
.M
x
+(1-x
tb
)M
2
Đồ án hoá công Khoa công nghệ hoá
23
Sv: Nguyễn Thị Ngát Lớp ĐH Hoá K1
=0,20425.119,5+(1-0,20425)154=146,9534
0204,00602,114.
1.9534,146
10.8467,2.61,1470.38000
62,0
9
==
−
x
β
kmol
kmol
sm
kmol
2
2.4 Hệ số chuyển khối.

0204,0054,0
1
1
1
1
i
x
i
y
y
mm
K
+
=
+
=
ββ
2.5 Tính đường kính ống chảy chuyền.

ccx
xtb
c
z
g
d
3600
.4
ωρπ
=
(m) [IX-217]

g
xtb
:lưu lượng lỏng trung bình đi trong đoạn chưng (kg/h)
hkg
skg
GGG
g
F
xtb
/92,643303600.8697,17
/8697,17
2
4463,125431,1875,4
2
11
==
=
++
=
+
′
+
=

md
c
278,0
1.2,0.61,1470 3600
92,64330.4
==

π
Quy chuẩn:d
c
=0,2m
2.6 Tính số đơn vị chuyển khối.

ytb
Ly
yt
g
fK
m
.
=
[IX-65a]
g
ytb
: lượng hơi trung bình của đoạn luyện (kmol/s)
g
ytb
=14,6287kg/s=
)/(10054,0
5,145
6287,14
skmol=
K
y
: hệ số chuyển khối (kmol/m
2
s)

f
C
=F-(f
ch
.m+f
h
.n)
F: diện tích mặt bề mặt cắt ngang của tháp.
2
22
1415,3
4
2.
4
.
m
D
F ===
ππ
f
ch
: diện tích mặt cắt ngang của ống chảy chuyền.
2
2
2
0314,0
4
2,0.
4
.

m
d
f
c
ch
===
π
π
Đồ án hoá công Khoa công nghệ hoá
24
Sv: Nguyễn Thị Ngát Lớp ĐH Hoá K1
d
h
: đường kính của ống hơi, chọn d
h
=0,1m
2
2
2
00785,0
4
1,0.
4
.
m
d
f
h
h
===

π
π

n: số ống hơi trên mỗi đĩa
40
1,0
0,2
.1,0.1,0
2
2
2
2
===
h
d
D
n
[ IX-212]
Quy chuẩn: n=40
m: số ống chảy chuyền trên mỗi đĩa, chọn m=1
2
8,2)40.00785,01.0314,0(1415,3 mf
C
=+−=
i
i
yy
ytb
Ly
yT

m
m
KK
g
fK
m
+
=
+
====⇒
3778,0
6095,0
0204,0054,0
1
1
.875,29.875,29
10054,0
8,2
.
.
IV Tính số đĩa thực tế của tháp. (theo đường cong động học)
• Vẽ đường cong cân bằng y
cb
=f(x)
• Vẽ đường làm việc của đoạn chưng, đoạn luyện với R
th
• Phương trình đoạn chưng: y=1,206x-0,0053
• Phương trình đoạn luyện: y=0,877x+0,121
• Dựng các đường thẳng vuông góc ox tai các điểm có hoành độ:0,0256; 0,05;
0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8 ;0,9; 0,9844

• Các đường này cắt đường làm việc tại A
1
,A
2
,…A
12
• Và cắt đường cân bằng tại C
1
,C
2
,…C
12
Ta có:

cb
cb
i
xx
yy
m
−
−
=
i
L
yT
m
m
+
=

4186,0
5848,0

i
C
yT
m
m
+
=
3778,0
6095,0
yT
m
yT
eC =
yT
C
AC
BC =
x y y
cb
x
cb
m
i
m
yT
C
yT

AC
BC
Đồ án hoá công Khoa công nghệ hoá
25