Thiết kế tháp chưng cất hỗn hợp Axeton - Metanol

ĐỒ ÁN MÔN HỌC - TRANG1 - CHƯNG LUYỆN LIÊN TỤC
MỤC LỤC

PHẦN I : TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ:
I. - MỞ ĐẦU
II. - T ÍNH CH ẤT HOÁ-LÝ C ỦA AXETON – METANOL
1. Một số tính chất của Metanol
2.Một số tính chất của Axeton III
-TỔNG QUAN VỀ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ
PHẦN II : TÍNH TOÁN THIẾT BỊ :
A - CÂN BẰNG VẬT LIỆU VÀ NHIỆT LƯỢNG:
I - CÂN BẰNG VẬT LIỆU
1. Thông số ban đầu
2. Tính cân bằng vật liệu
3. Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng và đoạn luyện
4. Xác định số đĩa của tháp chưng luyện
II - CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG
1. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng
2. Cân bằng nhiệt lượng cho toàn tháp
3. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ
4. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm lạnh

B - THÔNG SỐ CHÍNH CỦA THÁP:
I - ĐƯỜNG KÍNH THÁP
1. Đường kính đoạn luyện
2. Đường kính đoạn chưng
II - CHIỀU CAO THÁP
1. Chiều cao đoạn luyện
2. Chiều cao đoạn chưng
III - TÍNH TRỞ LỰC
1. Trở lực đoạn luyện

2. Trở lực đoạn chưng
C - TÍNH CƠ KHÍ THIẾT BỊ CHÍNH :
I - BỀ DÀY THÂN THÁP
II- TÍNH ĐÁY VÀ NẮP THIẾT BỊ
III- BỀ DÀY LỚP CÁCH NHỆT
IV -TÍNH ĐƯỜNG KÍNH ỐNG DẪN
1. Đường kính ống dẫn sản phẩm đỉnh
2. Đường kính ống dẫn hỗn hợp đầu
3. Đường kính ống dẫn sản phẩm đáy
4. Đường kính ống hồi lưu
V - KÍCH THƯỚC ĐĨA PHÂN PHỐI VÀ LƯỚI ĐỠ ĐỆM
VI - MẶT BÍCH
1. Bích để nối thiết bị
2. Bích để nối thiết bị với ống
VII – CỬA NỐI THIẾT BỊ
VIII- CHÂN ĐỠ VÀ TAI TREO THIẾT BỊ
1. Khối lượng toàn tháp
2. Chân đỡ và tai treo

Sinh viên thực hiện: ĐÀ NẴNG-2005 giáo viên hướng dẫn:
LÊ THỊ LIỀN NGUYễN THANH SơN
ĐỒ ÁN MÔN HỌC - TRANG2 - CHƯNG LUYỆN LIÊN TỤC
D - TÍNH THIẾT BỊ PHỤ
I - TÍNH THIẾT BỊ ĐUN NÓNG HỔN HỢP ĐẦU
II - TÍNH VÀ CHỌN BƠM
PHẦN III: KẾT LUẬN

PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM , DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ
I-MỞ ĐẦU:
Trong công nghệ hóa học , để phân riêng hổn hợp 2 hay nhiều cấu tử hòa tan một phần hay hoàn

toàn vào nhau , ta có thể sử dụng nhiều phương pháp khác nhau như : hấp thụ , hấp phụ , trích ly,
chưng cất ....Mỗi phương pháp điều có những đặc thù riêng và có những ưu nhược điểm nhất định .
Việc lựa chọn phương pháp và thiết bị cho phù hợp tùy thuộc vào hổn hợp ban đầu , yêu cầu sản
phẩm và điều kiện kinh tế.
Đối với hỗn hợp Axeton - Metanol là hỗn hợp 2 cấu tử tan hoàn toàn vào nhau theo bất kỳ tỷ lệ
nào (hỗn hơp đẳng phí) và có nhiệt độ sôi khác biệt nhau ở cùng điệu kiện áp suất . Do đó phương
pháp tối ưu để tách hỗn hợp trên là chưng cất . Phương pháp này dựa vào độ bay hơi khác nhau giữa
các cấu tử bằng cách thực hiện quá trình chuyển pha và trao đổi nhiệt giữa 2 pha lỏng- khí . Sản phẩm
đỉnh thu được gồm cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần cấu tử có độ bay hơi thấp hơn . Còn sản
phẩm đáy thu được chủ yếu là cấu khó bay hơi và một phần cấu tử dễ bay hơi .
Quá trình chưng cất cũng có nhiều phương pháp khác nhau như : chưng đơn giản : dùng để tách
các cấu tử có độ bay hơi khác biệt nhau . Nó dùng để tách sơ bộ và làm sạch cấu tử khỏi tạp chất ;
chưng chân không : dùng trong trường hợp cần hạ thấp nhiệt độ sôi của cấu tử do cấu tử dễ phá hủy

Sinh viên thực hiện: ĐÀ NẴNG-2005 giáo viên hướng dẫn:
LÊ THỊ LIỀN NGUYễN THANH SơN
ĐỒ ÁN MÔN HỌC - TRANG3 - CHƯNG LUYỆN LIÊN TỤC
nhiệt hay có nhiệt độ sôi quá cao ; chưng bằng hơi nước trực tiếp : dùng để tách các hổn hợp gồm
các chất khó bay hơi và tạp chất khong bay hơi ; chưng luyện :là phương pháp phổ biến nhất để tách
hoàn toàn hổn hợp các cấu tử dẽ bay hơi có tính chất hòa tan một phần hay hoàn toàn vào nhau theo
bất kỳ tỉ lệ nào bằng các thiết bị khác nhau như : tháp đĩa , tháp đệm, tháp chóp ...Đối với hổn hợp
trên , ta nên dùng thiết bị chưng tháp đệm .
Hiện nay tháp đệm được sử dụng rộng rãi bới có nhiều ưu điểm : hiệu suất cao vì bề mặt tiếp
xúc lớn, giới hạn làm việc tương đối rộng, thiết bị đơn giản gọn nhẹ dễ tháo rời dễ sửa chữa ,trở lực
không cao nhưng làm việc ổn định và chưng được sản phẩm đòi hỏi có độ tinh khiết cao . Tháp đệm
có thể làm việc ở áp suất thường và áp suất chân không , làm việc liên tục hoặc gián đoạn . Cấu tạo ,
kích thước và loại đệm tùy thuộc vào chế độ làm việc ,yêu cầu độ tinh khiết sản phẩm .
Tuy nhiên tháp đệm cũng có những mặt hạn chế sau : khó làm ướt đều đệm . Nếu tháp quá cao thì
phân phối chất lỏng không đều .
Để khắc phục nhược điểm trên , người ta chia đệm ra nhiều tầng và có đặt thêm đĩa phân phối

chất lỏng đối với mỗi một tầng đệm nếu tháp quá cao .
II-TÍNH CHẤT HÓA LÝ CỦA AXETON - METANOL
1-METANOL:
Metanol hay co tên gọi khác la rượu metylic
Công thức cấu tạo : CH
3
OH
Khối lượng phân tử : M = 32
Nhiệt độ sôi : Ts = 64,7
o
C
Nhiệt độ nóng chảy : Tnc = -97,8
o
C
Là một chất lỏng không màu ,linh động,có mùi đặc trưng .Dễ hút ẩm.Tạo hỗn hợp đẳng phí với
Axeton .Tan vô hạn trong nước. Hoà tan được nhiều hợp chất hữu cơ và 1 số hợp chất vô cơ.
Là một chất rất độc,chỉ một lượng nhỏ metanol xâm nhập vào cơ thể cũng có thể gây mù loà,
lượng lớn hơn có thể gây tử vong.
Ưng dụng :chủ yếu để sản xuất andehitfomic nguyên liệu cho công nghiệp chất dẻo.
Điều chế : Có 2 phương pháp chính là :hydrat hoá các anken ,lên men va thuỷ phân các hydrat
cacbon.
Trong phòng thi nghiệm rượu được tổng hợp bằng phương pháp Grinha.
2- AXETON:
Axeton là chất lỏng không màu, nhẹ hơn nước ,có tỷ trọng d
20
= 0,792 , tan nhiều trong nước do
phân tử phân cực, có nhiệt độ sôi t
s
=56,1
o

C, đông đặc ở nhiệt độ -95,5
o
C.
Axeton có công thức phân tử CH
3
COCH
3
, M=58.
Phương pháp quan trọng để điều chế Axeton là: oxy hóa rượu iso propanol
CH
3
CH(OH)CH
3
CH
3
COCH
3
+ H
2
O
Về mặt hóa học : có cấu tạo tương tự anđêhít , axeton tham gia phản ứng cộng H
2
và natrihyđro
sun fit (NaHSO
3
) nhưng không tham gia tráng gương với AgNO
3
và Cu(OH)
2
,tuy nhiên có thể bị oxy

hóa và cắt sát nhóm CO để tạo thành 2 axít khi nó phản ứng vói chất oxay hóa mạnh .
Ưïng dụng : Axeton hòa tan tốt trong axetat, nitro xenlulo, nhựa fenol focmanđehit, chất béo ,
dung môi pha sơn , mực ống đồng . Nó là nguyên liệu để tổng hợp thủy tinh hữu cơ , từ Axeton có
thể điều chế xêten sunphuanat (thuốc ngũ) và các halophom .
Nhìn chung Axeton và axit axetc có nhiều ứng dụng trong công nghiệp cũng như trong đời sống
hằng ngày nên cần thiết phải tách riêng được chúng .
III- TỔNG QUAN VỀ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ:
Dung dịch đầu được bơm từ thùng chứa 8 lên thùng cao vị 5 nhờ bơm thủy lực rồi chảy vào thiết
bị đun nóng 6. Ở đây dung dịch được đun đến nhiệt độ sôi bằng hơi nước bão hòa . Thiết bị đun sôi 6
là thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm, dung dịch sau khi đun sôi sẽ đi vào tháp chưng luyện ở đĩa
tiếp liệu .

Sinh viên thực hiện: ĐÀ NẴNG-2005 giáo viên hướng dẫn:
LÊ THỊ LIỀN NGUYễN THANH SơN
ĐỒ ÁN MÔN HỌC - TRANG4 - CHƯNG LUYỆN LIÊN TỤC
Trong tháp chưng luyện , hơi đi từ dưới lên và gặp chất lỏng đi từ trên xuống. Vì nhiệt độ càng
lên cao càng thấp nên khi hơi đi từ dưới lên trên qua các đĩa sẽ làm cấu tử có nhiệt độ sôi cao sẽ bị
ngưng tụ lại và cuối cùng trên đỉnh tháp thu được hổn hợp hầu hết cấu tử dễ bay hơi (cấu tử nhẹ ) .
Hơi ra khỏi tháp sẽ qua thiết bị ngưng tụ hoàn toàn 4, lượng lỏng ngưng tụ một phần sẽ được hồi lưu
về tháp , phần còn lại sẽ vào thiết bị làm lạnh 3 đễ giảm nhiệt độ rồi chuyển xuống thùng chưá sản
phẩm đỉnh 1.
Chất lỏng đi từ trên xuống gặp hơi từ dưới lên có nhiệt độ cao nên một phần cấu tử nhẹ sẽ bay
hơi . Do đó càng xuống thấp nồng độ cấu tử khó bay hơi càng cao, cuối cùng sản phẩm đáy thu được
hầu hết là câú tử nặng . Hổn hợp này thu được ở đáy tháp sau đó cho vào thùng chứa sản phẩm 9.
Như vậy tháp đã thực hiện một quá trình chưng tách liên tục hổn hợp 2 cấu tử Axeton -Metanol
thành 2 sản phẩm riêng biệt . Axeton có nhiệt độ sôi thấp hơn nên thu hồi ở đỉnh còn Metanol thu hòi
ở đáy .
SƠ ĐỒ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ (BẢN VẼ KHỔ A3)
PHẦN II
TÍNH TOÁN THIẾT BỊ

A-CÂN BẰNG VẬT LIỆU VÀ NHIỆT LƯỢNG:
I- CÂN BẰNG VẬT LIỆU:
1-THÔNG SỐ BAN ĐẦU:
GỌI: F:lưu lượng hổn hợp đầu kg/h- kmol/h
P: lưu lượng sản phẩm đỉnh kg/h- kmol/h
W: lưu lượng sản phẩm đáy kg/h- kmol/h
a
F
: nồng độ cấu tử dễ bay hơi hỗn hợp đầu % khối lượng
a
P
:

nồng đô cấu tử dễ bay hơi sản phẩm đỉnh % khối lượng
a
W
: nồng độ cấu tử dễ bay hơi sản phẩm đáy % khối lượng
x
F
:nồng độ cấu tử dễ bay hơi hổn hợp đầu % mol
x
P
:nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đỉnh % mol
x
W
:nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy % mol
ký hiệu: Axeton :A, M
A
= 58
Methanol:B,M

B
= 32
Số liệu ban đầu: G
F
= 15000 kg/h
a
F
= 32% khối lượng
a
P
= 77% khối lượng
a
W
= 2% khối lưọng
2-TÍNH CÂN BẰNG VẬT LIỆU:
Phương trình cân bằng vật viết cho toàn tháp:
F = P + W (1)
Hay G
F
= G
P
+ G
W
Phương trình cân bằng vật liệu viết cho cấu tử nhẹ:
Fa
F
= P a
P
+ Wa
W

(2)
G
F
a
F
= G
P
a
P
+ G
W
a
W

Từ (1) và (2) suy ra:

Sinh viên thực hiện: ĐÀ NẴNG-2005 giáo viên hướng dẫn:
LÊ THỊ LIỀN NGUYễN THANH SơN
ĐỒ ÁN MÔN HỌC - TRANG5 - CHƯNG LUYỆN LIÊN TỤC

Hay
FP
W
WF
P
WP
F
aa
G
aa

G
aa
G
−
=
−
=
−
[ ]
)/(6000
277
232
15000 hkg
aa
aa
GG
WP
WF
FP
=
−
−
=
−
−
=⇒
Từ (1) suy ra: G
W
= G
F

- G
P
= 15000 - 6000 = 9000 (kg/h)

Tính nồng độ phần mol dựa vào nồng độ phần khối lượng:

i
ik
k
k
k
M
a
M
a
x
Σ
=

Thành phần mol trong hổn hợp đầu:
206,0
32
32,01
58
32,0
58
32,0
1
=
−

+
=
−
+
=
B
F
A
F
A
F
F
M
a
M
a
M
a
x
(phần mol)

Thành phần mol trong sản phẩm đỉnh:
648,0
32
77,01
58
77,0
58
77,0
1

=
−
+
=
−
+
=
B
P
A
p
A
P
P
M
a
M
a
M
a
x
(phần mol)
Thành phần mol trong sản phẩm đáy:
011,0
32
02,01
58
02,0
58
02,0

1
=
−
+
=
−
+
=
B
W
A
W
A
W
W
M
a
M
a
M
a
x
(phần mol)
Tính khối lượng mol trung bình:
Trong hổn hợp đầu:
M
F
= x
F
M

A
+ (1- x
F
)M
B
= 0,206*58 +(1-0,206)*32 = 37,356 kg/kmol
Trong sản phẩm đỉnh:
M
P
= x
P
M
A
+ (1- x
P
)M
B
= 0,648*58 + (1-0,648)*32 = 48,848 kg/kmol
Trong sản phẩm đáy:
M
W
= x
W
M
A
+ (1- x
W
)M
B
= 0,011*58 + (1-0,011)*32 = 32,286 kg/kmol

Lưu lượng tính theo kmol/h:
F =
=
F
F
M
G
15000/37,356 = 401,54 kmol/h

Sinh viên thực hiện: ĐÀ NẴNG-2005 giáo viên hướng dẫn:
LÊ THỊ LIỀN NGUYễN THANH SơN
WPWFWP
xx
W
xx
p
xx
F
−
=
−
=
−
Figure 1
ĐỒ ÁN MÔN HỌC - TRANG6 - CHƯNG LUYỆN LIÊN TỤC
P =
=
P
P
M

G
6000/48,848 = 122,83 kmol/h
W =
=
M
G
9000/32,286 = 278,758 kmol/h
Như vậy ta có bảng tổng kết thành phần sản phẩm như sau:
Phần khối lượng Phần mol Lưu lượng kg/h Lưu lượng kmol/h
Hổn hợp đầu: 0,32 0,206 15000 401,54
Sản phẩm đáy: 0,77 0,648 6000 122,83
Sản phẩm đáy: 0,02 0,011 9000 278,758
3- PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG NỒNG ĐỘ LÀM VIỆC CỦA ĐOẠN LUYỆN VÀ ĐOẠN CHƯNG
a/ Đoạn luyện :
Để đơn giản tính toán ta thừa nhận những giả thiết sau:
- Số mol của pha hơi đi từ dưới lên bằng nhau trong tất cả mọi tiết diện của tháp.
- Hỗn hợp đầu đi vào tháp ở nhiệt đọ sôi
- Chất lỏng ngưng trong thiết bị ngưng tụ có thành phần bằng thành phần hơi đi ra khỏi
đỉnh tháp
- Đun sôi ở đáy tháp bằng hơi đốt gián tiếp.
- Số mol chất lỏng không thay đổi theo chiều cao trong đoạn chưng và đoạn luyện .
Ta có phương trình cân bằng vật liệu đối với đọan luyện :
G
y
= G
x
+ P
Với: G
y
: lưu lượng pha hơi đi từ dưới lên ( kmol/h)

G
y
: lưu lượng lỏng hồi lưu từ trên xuống ( kmol /h)
P : lưu liượng sản phẩm đỉnh
Phương trình cân bằng vật liệu viết cho cấu tử dễ bay hơi :
G
y
y
n+1
= G
x
x
n
+ P x
P
Suy ra
pn
x
n
y
xx
P
G
y
P
G
+=
+
1

y
p
n
y
x
n
S
x
x
S
R
y
+=
+
1
với Rx =
P
G
x
chỉ số hồi lưu

1
+==
x
y
y
R
P
G

S
chỉ số hơi
Do đó phương trình đường nồng độ làm việc có dạng:
y
n+1
= Ax
n
+ B
Với
1
,
1
+
=
+
=
x
p
x
x
R
x
B
R
R
A
b/Đoạn chưng:
Phương trình cân bằng vật liệu đoạn chưng:
G
,

x
= Gy + W
với G
,
x
= Gx + P lượng lỏng trong đoạn chưng từ trên xuống
W : lưu lượng sản phẩm đáy (kmol/h)
F : lưu lượng hổn hợp đầu (kmol/h)
Phương trình cân bằng vật viết cho cấu tử Axeton :
Wnynx
WxyGxG
+
′
=
′′
+
1
Suy ra
W
x
n
x
x
n
x
R
L
x
R
LR

y
1
1
1
1
+
−
−
′
+
+
=
′
+
với L = F/P
Có dạng :
BxAy
nn
′
+
′′
=
′
+1

Sinh viên thực hiện: ĐÀ NẴNG-2005 giáo viên hướng dẫn:
LÊ THỊ LIỀN NGUYễN THANH SơN
ĐỒ ÁN MÔN HỌC - TRANG7 - CHƯNG LUYỆN LIÊN TỤC
Với
1

1
',
1
'
+
−
−=
+
+
=
xx
x
R
L
B
R
LR
A
Hai đường làm việc này cắt nhau tại điểm có hoành độ x = x
F

4- XÁC ĐỊNH SỐ BẬC THAY ĐỔI NỒNG ĐỘ :
a-Thành phần của hỗn hợp 2 cấu tử Axeton-Metanol

x 0,0 0,091 0,190 0,288 0,401 0,501 0,579 0,687 0,756 0,840 0,895 0,945 1,00
y 0,0 0,177 0,312 0,412 0,505 0,578 0,631 0,707 0,760 0,829 0,880 0,946 1,00
t 64,65 61,78 59,60 58,14 56,96 56,22 55,78 55,41 55,29 55,37 55,54 55,92 56,21

Bảng thành phần cân bằng lỏng hơi và nhiệt độ sôi của hổn hợp 2 cẩu tử ở áp suất 760 mmHg
(theo Perry’s Chemical Handbook)

Từ bảng số liệu trên ta vẽ đường cân bằng trên đồ thị x-y và vẽ đồ thị t- x,y (hình 1- trang 10)
Gọi y
F ,
y
P
, y
W
là nồng độ phần mol của pha hơi cân bằng với pha lỏng trong hổn hợp đầu , sản
phẩm đỉnh, sản phẩm đáy
t
F
, t
P
, t
W
: nhiệt độ sôi của hổn hợp đầu , sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy
dựa vào đồ thị ta có kết quả sau:
Sản phẩm x (%mol) y
*
(%mol) t sôi
F 20,6 32,83 59,36
P 64,8 67,95 55,54
W 1,1 2,139 64,303

b-Xác định chỉ số hồi lưu :

61,2
206,03283,0
3283,0648,0
*

*
min
=
−
−
=
−
−
=
F
F
F
p
X
xy
yx
R
Với x
P
nồng độ phần mol của Axeton ở sản phẩm đỉnh .
x
F
nồng độ phần mol của Axeton ở hổn hợp đầu
y
*
F
nồng độ phần mol trong pha hơi nằm cân bằng pha lỏng ở hổn hợp đầu

Sinh viên thực hiện: ĐÀ NẴNG-2005 giáo viên hướng dẫn:
LÊ THỊ LIỀN NGUYễN THANH SơN

ĐỒ ÁN MÔN HỌC - TRANG8 - CHƯNG LUYỆN LIÊN TỤC
:
c-Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp :
R
X
= b R
Xmin
với b là hệ số b = 1,2 2,5
Xác định R
X
thích hợp theo số bậc thay đổi nồng độ được tiến hành như sau : cho nhiều giá trị
R
X
lớn hơn giá trị R
Xmin
. Với mỗi giá trị trên , ta xác định được tung độ của đường làm việc với trục
tung B,với:

Sinh viên thực hiện: ĐÀ NẴNG-2005 giáo viên hướng dẫn:
LÊ THỊ LIỀN NGUYễN THANH SơN
ĐỒ ÁN MÔN HỌC - TRANG9 - CHƯNG LUYỆN LIÊN TỤC

1
+
=
x
P
R
x
B

Ta vẽ đường làm việc của đoạn luyện và đoạn chưng theo cac điểm đặc biệt sau:
+Đường làm việc đoạn luyện:
Theo giả thiết thì thành phần cấu tử dễ bay hơi trong chất lỏng ngưng tụ đi vào tháp bằng thành
phần cấu tử dễ bay hơi từ đỉnh tháp đi ra.Do đó đĩa trên cùng thì y=x và phương trình đường làm
việc đĩa trên cùng là :
Y=Ax+B
Thay giá trị A và B giải ra ta có y=x
p
Điều đó chứng tỏ rằng điếm M(x,y) trên cùng của đưòng làm việc đoạn luyện có toạ độ y=x=x
p

Và điểm thứ hai có toạ độ B(0,
1
+
x
p
R
x
) đã xác định ở trên.
+Đường làm việc đoạn chưng:
Ta có thể coi nồng độ ở đĩa cuối cùng của đoạn chưng bằng nồng độ đáy x
w

Tương tự thay A và B vào phương trình x=Ay+B của đoạn chưng ta tìm ra điểm cuối cùng của
đưòng nồng độ làm việc của đoạn luyện tại điểm có hoành độ x
f
, tung độ phụ thuộc chỉ số hồi lưu R
x
.
Cách xác định số đĩa lý thuyết theo phưong pháp số bậc thay đổi nồng độ bằng đồ thị x-y như

sau:
Trên đồ thị x-y vẽ đường cân bằng theo số liệu đã cho.
-Vẽ đường x-y
-Vẽ đường làm việc theo các điểm trên .
-Từ M vẽ đường thẳng song song với trục tung nó cắt đường làm việc tại một điểm,cứ tiếp tục
như vậy cho đến điểm N.
- Đếm số bậc thay đổi nồng độ N
lt
trên đồ thị.Với mỗi bậc thay đổi nồng độ ứng với một ngăn
thiết bị gọi là số ngăn lý thuyết do điều kiện chuyển khối chưa được tốt.
Dựa vào đồ thị ta có kết qủa sau:
b 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4
R
X
3,13 3,65 4,18 4,70 5,22 5,74 6,26
N
L
12 12 11 10 11 10 10
N
L
(R
X
+1) 49,584 55,848 56,936 56,98 68,42 67,42 72,64
Theo bảng kết quả trên ta vẽ đồ thị Rx-N(Rx+1)
Ta chọn chỉ số hồi lưu thích hợp : R
X
= 4,7
Khi đó N
L
=10

Số ngăn lý thuyết đoạn luyện là : 6
Số ngăn lý thuyết đoạn chưng là: 4
ĐỒ THỊ XÁC ĐỊNH SỐ BẬC THAY ĐỔI NỒNG ĐỘ :

Sinh viên thực hiện: ĐÀ NẴNG-2005 giáo viên hướng dẫn:
LÊ THỊ LIỀN NGUYễN THANH SơN
ĐỒ ÁN MÔN HỌC - TRANG10 - CHƯNG LUYỆN LIÊN TỤC
d-Xác định số ngăn thực tế :

N
TT
=
tb
L
N
η
với
3
321
ηηη
η
++
=
tb


tb
η
: là hàm phụ thuộc vào độ bay hơi tương đối
α

và độ nhớt
µ
của hổn hợp .

α
: được xác định theo công thức IX .61 trang 171 sổ tay QT & TBHC tập II:

x
x
y
y
−
−
=
1
1
*
*
α

với y,x : nồng độ phần mol của Axeton trong pha hơi và pha lỏng.
Như vậy xác định độ bay hơi trong các hổn hợp như sau :
Trong hổn hợp đầu :
88,1
1
1
*
*
1
=

−
−
=
F
F
F
x
x
y
y
α
; với x
F
=0,206; y
*
F
= 0,3283
Trong sản phẩm đỉnh :
51,1
1
1
*
*
2
=
−
−
=
P
P

P
P
x
x
y
y
α
, với x
W
= 0.952 ; y
*
P
= 0.997

Trong sản phẩm đáy :
965,1
1
1
*
*
3
=
−
−
=
W
W
W
W
x

x
y
y
α
, với x
W
= 0,011; y
*
W
= 0,02139
Xác định độ nhớt của hổn hợp theo nhiệt độ :
Trước hết ta xác định độ nhớt của Axeton và Metanol theo nhiệt độ dựa vào bảng I .101 trang 91
sổ tay QT & TBCNHH tập I
Nhiệt độ
o
C Độ nhớt C
3
H
6
O Độ nhớt CH
3
COOH

Sinh viên thực hiện: ĐÀ NẴNG-2005 giáo viên hướng dẫn:
LÊ THỊ LIỀN NGUYễN THANH SơN
ĐỒ ÁN MÔN HỌC - TRANG11 - CHƯNG LUYỆN LIÊN TỤC
t
F
=59,36
µ

A
= 0,232
µ
B
= 0,352
t
P
=55,54
µ
A
= 0,245
µ
B
= 0,368

t
W
=64,303
µ
A
= 0,221
µ
B
= 0,331
Độ nhớt của hổn hợp được xác định theo công thức I.12 trang 84 sổ tay QT & QBCNHH tập I
lg
hh
µ
=x
A

lg
µ
A
+ x
B
lg
µ
B

Do đó ta có :

BFFAFF
xx
µµµ
lg)1(lglg
1
−+=
= 0,206lg0,232 + (1-0,206)lg0,352 = -0,490

→
1
µ
= 0,612

-0,548 3650,648)lg0,-(1 450,648lg0,2lg)1(lglg
2
=+=−+=
BFPAFP
xx
µµµ

577,0
2
=→
µ
-0,482 3310,011)lg0,-(1 210,011lg0,2lg)1(lglg
3
=+=−+=
BWWAWW
xx
µµµ

617,0
3
=→
µ
Như vậy ta có kết quả sau :

%4815,188,1*612,0
11
1
=→==
ηαµ
%52842,051,1*557,0
222
1
=→==
ηαµ
%4721,1965,1*617,0

333
=→==
ηαµ
32,1
,
2
ηηη
xác định bằng đồ thị trang 171 sổ tay quá trình thiết bị và công nghệ hóa chất
tập II .
Suy ra hiệu suất làm việc của tháp:
%49
3
475248
3
321
=
++
=
++
=
ηηη
η
số ngăn thực tế đoạn luyện :
N
l
=6/0,49 =12 ngăn
Số ngăn đoạn chưng :
N
c
=4/0,49= 8 ngăn

số ngăn thực tế tháp :
N = 1 2 + 8 = 20 ngăn
III-CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG :
Mục đích của việc tính toán cân bằng nhiệt lượng là để xác định lượng hơi đốt cần thiết khi đun
nóng hổn hợp đầu , đun bốc hơi ở đáy tháp cũng như xác định lượng nước làm lạnh cần thiết cho quá
trình ngưng tụ làm lạnh .
Chọn nước làm chất tải nhiệt vì nó là nguồn nguyên liệu rẽ tiền ,phổ biến trong thiên nhiên và có
khả năng đáp ứng yêu cầu công nghệ.
Q
D1
:lượng nhiệt do hơi nước cung cấp để đun nóng hổn hợp đầu J/h
Q
f
: lượng nhiệt hổn hợp đầu mang vào J/h

f
Q
′
:lượng nhiệt do hơi mang ra khỏi thiết bị đun nóng hổn hợp đầu J/h
Q
m1
:lượng nhiệt mất mát trong quá trình đun sôi J/h
Q
y
;lượng nhiệt hơi mang ra khỏi tháp J/h
Q
Rx
lượng nhiệt do lượng lỏng hồi lưu mang vào J/h
Q
p

: nhiệt lượng do sản phẩm đỉnh mang ra J/h
Q
D2
:nhiệt lượng cần đun nóng sản phẩm đáy J/h
Q
W
: nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra J/h
Q
m2
: nhiệt lượng mất mát trong tháp chưng luyện J/h
Q
ng1
, Q
ng2
:nhiệt do nước ngưng mang ra J/h

Sinh viên thực hiện: ĐÀ NẴNG-2005 giáo viên hướng dẫn:
LÊ THỊ LIỀN NGUYễN THANH SơN
H
2
O
H
2
O
H
2
O
H
2
O

Q
y
Q
f’
Q
D1
Q
D2
Q
m2
Q
ng1
Q
m1
Q
W
Q
f
Q
P
Q
Rx
Q
ng2
ĐỒ ÁN MÔN HỌC - TRANG12 - CHƯNG LUYỆN LIÊN TỤC
1-CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG CỦA THIẾT BỊ ĐUN NÓNG:
Phương trình cân bằng nhiệt lượng cho quá trình đun nóng:
Q
D1
+ Q

f
= Q
f
, + Q
m
+ Q
ng1

Q
D1
=D
1
1
λ
= D
1
(r
1
+
1
θ
C
1
)
với :
D
1
:lượng hơi đốt mang vào Kg/h
1
λ

: hàm nhiệt của hơi nước J/kg
r
1
: ẩn nhiệt hóa hơi của hơi nước
1
θ
: nhiệt độ nước ngưng
o
C
C
1
: nhiệt dung riêng của nước ngưng J/kg độ
Ta có :
Q
ng1
= D
1
1
θ
C
1
Q
m
= 5%(Q
D1
- Q
ng1
) = 5% D
1
r

1
Q
f
= F t
f
C
f
Q
f
, =F t
f
,C
f
,
t
f
, :nhiệt độ üsôi của hổn hợp đầu ở áp suất khí quyển
o
C
t
f
: nhiệt độ hổn hợp đầu
o
C , chọn t
f
=25
o
C
Suy ra:

1
1
95,0
),,(
r
CtCtF
D
ffff
−
=
kg/h
Tính nhiệt dung riêng của hổn hợp đầu :
C
f
25
= C
A
25
a
F
+ C
B
25
(1-a
F
)
C
A
25
,C

B
25
tra trong bảng I-153trang 171 STQT&TBCNHC tập I :
C
A
25
= 2195 J/kgđộ
C
B
25
=2595 J/kgđộ
C
f
25
= 2195*0,32 +2595*(1-0,32) =2467 J/kgđộ
Q
f
=F C
f
t
f
= F*25*2088,21 =F*52205,15 J/kgđộ
Tương tự ta có nhiệt dung riêng của hổn hợp đầu ở nhiệt độ sôi t
f
, = 59,36
o
C
C
f
,

59,36
= C
A
59,36
a
F
+ C
B
59,36
(1-a
F
)
C
A
59,36
= 2302,92 J/kgdộ
C
B
59,36
= 2757,12 J/kgđộ
C
f
,
59,36
= 2302,92* 0,32 + 2757,12*(1-0,32) = 2611,7 J/kgđộ
Ta chọn hơi nước bão hòa đun sôi ở áp suất p = 1 atm ,t
o
= 99,1
o
C ,suy ra r

1
= 2264* 10
3
J/kg
(bảng I-125 trang 314 sổ tay QTTB&CNHC tập I)
vậy
)/(07,651
10*2267*95.0
25*246736,59*7,2611
15000
3
hKgD
=
−
=
2-CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG CHO TOÀN THÁP:

222 mngWyDRxf
QQQQQQQ
+++=++
′
a/Nhiệt lượng do hổn hợp đầu mang vào tháp:
)/(232545768015000*36,59*7,2611 hJGtCQ
Ffff
==
′′
=
′
b/Nhiệt lượng do hơi nước mang vào đáy tháp:

Sinh viên thực hiện: ĐÀ NẴNG-2005 giáo viên hướng dẫn:
LÊ THỊ LIỀN NGUYễN THANH SơN
ĐỒ ÁN MÔN HỌC - TRANG13 - CHƯNG LUYỆN LIÊN TỤC
)/)((
2222222
hJCrDDQ
D
θλ
+==
D
2
:lượng hơi nước mang vào tháp Kg/h
2
λ
: hàm nhiệt của hơi nước bão hòa J/Kg
22
,C
θ
: nhiệt độ và nhiệt dung riêng của nước ngưng .
c/ Nhiệt lượng lỏng hồi lưu mang vào :
Q
Rx
= G
x
C
x
t
x
= G
P

R
x
C
x
t
x
(với
P
G
R
x
x
=
)
t
x
= t
P
= 55,54
o
C
C
55,54
x
:nhiệt dung riêng của hổn hợp sau khi ngưng tụ tại sản phẩm đỉnh (J/Kg độ)
C
55,54
x
được tính theo công thức sau
C

55,54
x
= C
A
a
P
+ C
B
(1- a
P
)
C
A
,C
B
:tra bảng I-153,trang 171 , 172 sổ tay QT&TBCNHH tập I ở nhiệt độ 55,54
o
C
C
A
= 2290,505 J/Kgđộ
C
B
= 2739,93 J/Kgđộ
Do đó C
55,54
x


= 2290,505*0,77 + 2739,93*(1-0,77) = 2393,86 J/Kgđộ

Suy ra Q
Rx
= 6000*4,7*2393,86*55,54 = 3749330,56 J/h
d/ Nhiệt lượng do hơi mang ra :
hhxPhhyy
RGGQ
λλ
)1(
+==
hh
λ
: nhiệt lượng riêng của hổn hợp hơi ở đỉnh tháp :
PPPPPhh
tCraa
+=−+=
21
)1(
λλλ
1
λ
: hàm nhiệt của Axeton ở 55,54
o
C
2
λ
: hàm nhiệt của Metanol ở 55,54
o
C
C
P

:nhiệt dung riêng của hổn hợp ra khỏi tháp ở nhiệt độ 55,54
o
C
C
P
= C
Rx
= 2393,86 J/Kgđộ
r
P
: ẩn nhiệt hóa hơi của hổn hợp ở nhiệt dộ 55,54
o
C
r
P
= r
A
a
P
+ r
B
(1- a
P
)
r
A
,r
B
:tra bảng I-213 trang 254 sổ tay QT&TBCNHH tập I bằng phương pháp nội suy :
r

A
= 552,93 *10
3
J/Kg
r
B
= 1116,2 *10
3
J/Kg
)/(10*38,65910*2,1116*)77,01(77,0*10*93,552
333
kgJr
P
=−+=⇒
Suy ra
hh
λ
= r
P
+ C
P
t
P
=659,38*10
3
+ 2393,86*55,54 = 792335 J/Kg
Vậy Q
y
= G
P

(R
x
+ 1)
hh
λ
= 6000*(4,7+1)*792335 =24578,23*10
6
J/h
e/ Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra:
Q
W
= G
W
C
W
t
W
J/h
C
W
: được xác định theo công thức :
)1(
303,64303,64303,64
WBWAW
aCaCC
−−=
C
A
,C
B

: tra bảng I - 153 trang 171 sổ tay QT&TBCNHH tập I bằng phương pháp nội suy
ở nhiệt độ 64,303
o
C :
C
A
= 2318,985 J/kgđộ
C
B
= 2781,515 J/kgđộ
Suy ra C
W
= 2318,985*0,02 + 2781,515*(1-0,02) = 2772,26 J/kgđộ
Vậy Q
W
=9000*2772,26*64,303 = 1604381713 J/h
f/ Nhiệt lượng do nước ngưng mảng ra :

2222
θ
CDQ
ng
=
J/h
g/ Nhiệt lượng do tổn thất ra môi trường xung quanh :
Q
m2
= 0,95D
2
r

2
J/h

Sinh viên thực hiện: ĐÀ NẴNG-2005 giáo viên hướng dẫn:
LÊ THỊ LIỀN NGUYễN THANH SơN
ĐỒ ÁN MÔN HỌC - TRANG14 - CHƯNG LUYỆN LIÊN TỤC
Vậy
)/(48,11090
10*2264*95,0
10)7493,345,232538,160423,24578(
95,0
3
6
2
2
hJ
r
QQQQ
D
RxfWy
=
−−+
=
−
′
−+
=
3- CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG CHO THIẾT BỊ NGƯNG TỤ :
Sử dụng thiết bị ngưng tụ hoàn toàn :
Phương trình cân bầng nhiệt lượng :

P ( R
x
+ 1 ) r = G
n1
C
n
(t
2
- t
1
) công thức 13-62 trang 111 sổ tay
QT&TBCNHH tập II :
Chọn nhiêt độ vào của nước làm lạnh t
1
=25
o
C và nhiệt độ ra t
2
= 40
o
C
Do đó nhiệt độ trung bình :

C
tt
t
o
tb
5,32
2

4025
2
21
=
+
=
+
=
Giả thiết rằng nhiệt lượng do hơi ngưng tụ ở thiết bị ở nhiệt độ t
P
= 55,54
o
C sẽ truyền
hoàn toàn cho nước đễ tăng nhiệt độ từ 25 đến 40
o
C
Do đó r = r
P
= 659,38 *10
3
J/kg
P= 6000 Kg/h ; R
x
= 4,7
C
n
: nhiệt dung riêng của nước tra bảng I-147 trang 165 sổ tay QT&TBCNHHH tập I ở
nhiệt độ 32,5
o
C

C
n
= 0,99861 Kcal/kg độ = 4180 J/kgđộ
Vậy lượng nước làm lạnh :

)/(66,359
)2540(*4180
10*38,659)7,41(6000
3
1
hkgG
n
=
−
+
=
4-CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG CHO THIẾT BỊ LÀM LẠNH:

)()(
12221
ttCGCttP
nnP
−=
′
−
′
C
P
: nhiệt dung riêng sản phẩm đỉnh , theo trên ta có : C
P

= 2393,86 J/kgđộ
Ctt
o
P
54,55
1
==
′
,
Ct
o
25
2
=
′
t
1
=25
o
C , t
2
= 40
o
C ,C
n
=4180J/kgđộ
Suy ra:
)/(4695
)2540(4180
86,2393*)2554,55(6000

)(
)(
12
21
2
hkg
ttC
CttP
G
n
P
n
=
−
−
=
−
′
−
′
=
Vậy tổng lượng nước làm lạnh dùng trong quá trình trao đổi nhiệt :
G
n
= G
n1
+ G
n2
= 359,66 + 4695 = 5054,66 Kg/h
B-THÔNG SỐ CHÍNH CỦA THÁP

I-ĐƯỜNG KÍNH THÁP :
Đường kính tháp được tính theo công thức:

tb
tb
W
V
D
*3600*
4
π
=
(m) công thức (IX-89)
V
tb
: lượng hơi trung bình đi trong tháp (m
3
/h)
W
tb
: vận tốc hơi trung bình đi trong tháp (m/s)
1-ĐƯỜNG KÍNH DOẠN LUYỆN :
a/ Lưu lượng hơi trung bình trong đoạn luyện :
Được tính theo công thức sau :

2
1
gg
g
d

tb
+
=
(IX - 91) sổ tay QT&TBCNHH tập II
g
đ
: lượng hơi ra khỏi tháp ở đĩa trên cùng (kg/h)

Sinh viên thực hiện: ĐÀ NẴNG-2005 giáo viên hướng dẫn:
LÊ THỊ LIỀN NGUYễN THANH SơN