Tính toán cân bằng nhiệt và các thông số các thiết bị chưng cất

1

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

2
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).



3
II. Sơ đồ dây chuyền :

Hơi đốt
Nớc ngng
1
2
3
4
5
10
6

7
8
9
Hơi đốt
Nớc lạnh
Nớc
Nớc ngng
11
11
Nớc lạnh
Nớc

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



4
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 :

F
a
: Nồng độ axeton trong hỗn hợp đầu = 0,34% khối lợng.

P
a
: Nồng độ axeton trong sản phẩm đỉnh = 0,95% khối lợng.

W
a
: Nồng độ axeton trong sản phẩm đáy = 0,03 % khối lợng.

1
M
: Khối lợng phân tử của axeton = 58 kg/kmol.

2
M
: Khối lợng phân tử của H
2

O =18 kg/kmol.

I. Tính cân bằng vật liệu :
1/ Tính cân bằng vật liệu :
Theo phơng trình cân bằng vật liệu cho toàn tháp :



5
F = P + W
Và phơng trình cân bằng vật liệu cho riêng cấu tử dễ bay hơi (Etylic):
WPF
a.Wa.Pa.F
+
=

Lợng sản phẩm đáy là :

(kg/s) ,0
03,095,0
)34,095,0( . 2,083
)(
=


=


=
WP

FP
aa
aaF
W

Lợng 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 :

)/( 0302,06667,0.
18
7,0
46
30,0
.
1
'
21
skmolF
M
a
M
a
F
FF
=

+=









+=


)/( 10.889,42087,0.
18
05,0
46
95,0
.
1
'
3
21
skmolP
M
a
M

a
P
PP

=






+=









+=


)/( 0253,010.889,40302,0'''
3
skmolPFW ===

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

14360,0
18/7046/30
46/30
/)100(/
/
21
1
=
+
=
+
=
MaMa
Ma
x
FF
F
F


8814,0
18/546/95
46/95
/)100(/
/
21
1

=
+
=
+
=
MaMa
Ma
x
PP
P
P


3
21
1
10.569,1
18/9846/4,0
46/4,0
/)100(/
/

=
+
=
+
=
MaMa
Ma
x

WW
W
W

Dựa vào đờng cân bằng lỏng-hơi (nội suy), ta có :
278092,0
*
=
F
y




6

a/ Chỉ số hồi lu tối thiểu :

4584,4
1436,0278092,0
278092,08814,0
*
*
min
=


=

=
FF
FP
xy
yx
R


b/ Chỉ số hồi lu thích hợp :
Cho R biến thiên (R >R
min
), 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 2,5
R 5,3832 5,6075 6,729 7,8505 8,972 10,0935 11,215
N 28 27 23 22 21 20 19
N(R+1) 178,7296 178,4025 177,764 194,711 209,412 221,87 232,685
Hệ số hiệu chỉnh :
min
R
R
=

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 R
th
= 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 :

1771,6
10.889,4
302,0
'
'
3
===

P
F
f



7

Phơng trình :
001569,0.
1729,6
11771,6
1729,6
1771,6729,6
1
1
1 +


+

+
=
+


+
+
= xx
R
f
x
R
fR
y
W

001051,06698,1 = xy

- Đờng nồng độ làm việc đoạn luyện :
Phơng trình :
1729,6
8814,0
1729,6
729,6
11 +
+
+
=
+
+

+
= x
R
x
x
R
R
y
P

114,08706,0 += xy

d/ Số đĩa lý thuyết :
Với R
th
= 6,729 dựa vào đờng cân bằng và đờng làm việc, ta xác định đợc số đĩa lý
thuyết.
N
LT
=23
Trong đó : số đĩa đoạn chng :2
số 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 :
G
P
: Lợng sản phẩm đỉnh (P) = 4,889.10

-3
(kmol/s).
R : Hệ số hồi lu thích hợp = 6,729
G
R
: Lợng hồi lu = G
P
. R (kmol/s)
Lợng hơi ra khỏi đỉnh tháp g
đ
:
g
đ
= G
R
+ G
P
= G
P
. (R + 1) = 4,889.10
-3
. (6,729+ 1) = 0,0952 (kmol/h)



8
Lợng hơi đi vào đoạn luyện g
1
, nồng độ hơi y
1

, lợng lỏng G
1
đối với đĩa thứ nhất của
đoạn luyện, nồng độ lỏng x
1
:
Coi x
1
= x
F
= 0,1740
Phơng trình cân bằng vật liệu :
g
1
= G
1
+ G
P
(1)

Phơng trình cân bằng vật liệu với cấu tử dễ bay hơi (etylic) :
g
1
y
1
= G
1
x
1
+ G

P
x
P
(2)
Phơng trình cân bằng nhiệt lợng :
g
1
r
1
= g
đ
r
đ
(3)
r
1
: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa luyện thứ nhất (kcal/kmol)
r
đ
: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi ra khỏi đỉnh tháp (kcal/kmol)
Gọi :
r
A
: ẩn nhiệt hóa hơi của Etylic
r
B
: ẩn nhiệt hoá hơi của H
2
O.
Từ đồ thị (t,x,y) ta có :

- Nhiệt độ sôi của hỗn hợp đỉnh (x = x
P
= 0,8814): t
P
= 78,1272
0
C
Nội suy theo bảng r t
o
(I-301) với t
o
= 78,1272C :



===
===

)(kcal/kmol 9126)(kcal/kmolM.508 (kcal/kg) 508 r
)(kcal/kmol 9108)(kcal/kmol198.M (kcal/kg) 198 r
BB
AA

r
đ
= r
A
. y
đ
+ r

B
(1 - y
đ
) = 9108 . 0,8814 + 9126 .(1- 0,8814)
= 9110,1348 (kcal/kmol)
- Nhiệt độ sôi của hỗn hợp đầu (x = x
F
= 0,1436): t
F
= 84,6028C
Nội suy theo bảng r t
o
(I-301) với t
o
= 84,6028C :



===
===

)(kcal/kmol 8028)(kcal/kmol446.M (kcal/kg) 446 r
)(kcal/kmol 8878)(kcal/kmol193.M (kcal/kg) 193 r
BB
AA
r
l
=
r
A

. y
l
+ r
B
(1 y
l
) = 8878 . y
l
8028 . (1 y
l
)
Thay r
l
vào (3) và giải hệ 3 phơng trình trên (ẩn y
l
, g
l
, G
l
), ta đợc :



9





=

=
=

1776,0
(kmol/s) 106,0
(kmol/s) 1011,0
1
1
1
y
g
G

Lợng hơi trung bình đi trong đoạn luyện :
(kmol/s) 1006,0
2
106,00952,0
2
1
=
+
=
+
=
gg
g
d
tbL

Lợng lỏng trung bình đi trong đoạn luyện :

(kmol/s) 0956,0
2
1011,010.889,4).1729,6(
2
3
1
=
++
=
+
=

GG
G
R
tbL

b/ Trong đoạn chng :
Số liệu :
G
W
: Lợng sản phẩm đáy (W) = 0,0253 (kmol/s)
Lợng hơi đi vào đoạn chng
,
1
g
, nồng độ hơi
,
1
y

, lợng lỏng
'
1
G
đối với đĩa thứ nhất
của đoạn chng, nồng độ lỏng
,
1
x
, lợng hơi ra khỏi đoạn chng chính là lợng hơi đi
vào đoạn luyện g
1
:
Ta có
*
W
,
1
yy =
là nồng độ cân bằng ứng với x
W
, nội suy theo bảng số liệu đờng
cân bằng (II-145) :

001856,0
*,
1
==
W
yy

Phơng trình cân bằng vật liệu :

W
'
1
'
1
GgG +=
(1)
Phơng trình cân bằng vật liệu với cấu tử dễ bay hơi (etylic) :

WW
'
1
'
1
'
1
'
1
xGygxG +=
(2)
Phơng trình cân bằng nhiệt lợng :

11
'
1
'
1

rgrg =
(3)
r
l
: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi ra khỏi đoạn chng.



10
r
l
= r
A
. y
l
+ r
B
(1 y
l
) = 8878 . 0,1776 + 8028 . (1 0,1776)
= 8660,64 (kcal/kmol)
r
1
: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa chng thứ nhất.
Từ bảng số liệu x t
o
sôi dd (II-145), nội suy ta có:
Nhiệt độ sôi hỗn hợp đáy (x = x
W
= 0,001569): t

W
= 99,6007C
Nội suy theo bảng r t
o
(I-301) với t
o
= 99,6007C :



===
===

)(kcal/kmol 9054)(kcal/kmol503.M (kcal/kg) 503 r
)(kcal/kmol 8786)(kcal/kmol191.M (kcal/kg) 191 r
BB
AA

ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa chng thứ nhất :
r
l
= r
A
. y
l
+ r
B
(1 y
l
) = 8786.0,001569 + 9054 . (1 0,001569)

= 9050,596 (kcal/kmol)
(kmol/s)1014,0
596,9050
64,8660
.106,0)'3(
'
1
1
1
'
1
===
r
r
gg

(kmol/s) 1267,00253,01014,0)'1(
'
1
'
1
=+=+=
W
GgG

Lợng hơi trung bình đi trong đoạn chng :
(kmol/s) 1037,0
2
1014,0106,0
2

'
11
=
+
=
+
=
gg
g
tbC

Lợng lỏng trung bình đi trong đoạn chng :
(kmol/s)129,0
2
1267,0)0301,01011,0(
2
)(
'
11
=
++
=
++
=
GGG
G
F
tbC

2/ Vận tốc hơi đi trong tháp :
Tốc độ khí đi trong tháp chóp xác định theo:
(
Y

.
Y

)
tb
=0,065.

.
[
]

.
ytbxtb
h


(Kg/m
2
.s) [II.184]

xtb

: Khối lợng riêng trung bình pha lỏng (kg/ m
3
)

11

ytb

: Khối lợng riêng trung bình pha hơi (kg/ m
3
)
h : Khoảng cách giữa các đĩa (m)
a/ Khối lợng riêng trung bình pha lỏng :

2xtb
1tb
1xtb
1tb
xtb
a1a1


+

=

[II.184]
Trong đó :
xtb

: Khối lợng riêng trung bình pha lỏng (kg/ m

3
)
1xtb

: Khối lợng riêng trung bình cấu tử 1 (kg/ m
3
)
2xtb

: Khối lợng riêng trung bình cấu tử 2 (kg/ m
3
)
1tb
a
: Nồng độ khối lợng trung bình cấu tử 1 (kg/ kg)
- Đoạn luyện :
Nồng độ trung bình pha lỏng đoạn luyện :

5125,0
2
8814,01436,0
2
=
+
=
+
=
PF
tbL
xx

x

Nội suy với x
tbL
theo bảng số liệu nồng độ t
o
sôi dung dịch (II-145) :
Nhiệt độ trung bình đoạn luyện : t
tbL
= 79,9144C
Khối lợng riêng của Etylic và Nớc theo t = t
tbL
:

xL1
= 737,5 (kg/m
3
)
xL2
= 974,8376 (kg/m
3
) [I.7]
Nồng độ khối lợng trung bình của Etylic đoạn luyện :

625,0
2
95,030,0
2
=
+

=
+
=
PF
tbL
aa
a


598,811
8376,974
625,01
5,737
625,0
1
1
1
21
=







+=

+=


xL
tbL
xL
tbL
xL
aa


(kg/m
3
)
- Đoạn chng :



12
Nồng độ trung bình pha lỏng đoạn chng :

0725,0
2
1436,0001569,0

2
=
+
=
+
=
FW
tbC
xx
x

Nội suy với x
tbC
theo bảng số liệu nồng độ t
o
sôi dung dịch (II-145) :
Nhiệt độ trung bình đoạn chng : t
tbC
= 88,344C
Khối lợng riêng của Etylic và Nớc theo t = t
tbC
:
727
1
=
xC

(kg/m
3
)

5537,967
2
=
xC

(kg/m
3
) [ I.10]
Nồng độ khối lợng trung bình của Etylic đoạn luyện :

17,0
2
30,0004,0
2
=
+
=
+
=
FW
tbC
aa
a


0267,916
5537,967
17,01
727
17,0

1
1
1
21
=







+=









+=


xC
tbC
xC
tbC
xC

aa


(kg/m
3
)
b/ Khối lợng riêng trung bình pha hơi :
- Đoạn luyện :
Nồng độ pha hơi đầu đoạn luyện là : y
đL
= y
1
= 0,1776
Nồng độ pha hơi cuối đoạn luyện là : y
cL
= y
P
= x
P
= 0,8814
Nồng độ trung bình pha hơi đoạn luyện :
5295,0
2
8814,01776,0
2
=
+
=
+
=

cLdL
tbL
yy
y

Khối lợng mol trung bình hơi đoạn luyện :
yL
M
= y
tbL
.M
1
+(1- y
tbL
).M
2
= 0,5295 . 46 + (1- 0,5295).18
= 32,826 (kg/kmol)
Khối lợng riêng trung bình pha hơi đoạn luyện :
1796,1
)9144,79273.(4,22
273 . 826,23
).(4,22
.
=
+
=
+
=
tbLO

O
yL
yL
tT
TM

(kg/m
3
)
- Đoạn chng :



13
Nồng độ pha hơi đầu đoạn chng là :
01856,0
'
1
== yy
dC

Nồng độ pha hơi cuối đoạn chng là : y
cC
= y
1
= 0,1776
Nồng độ trung bình pha hơi đoạn luyện :
09808,0
2
1776,001856,0

2
=
+
=
+
=
cCdC
tbC
yy
y

Khối lợng mol trung bình hơi đoạn chng :

yC
M
= y
tbC
.M
1
+(1-y
tbC
).M
2
= 0,09808.46+(1 0,09808).18 =45,4624 (kg/kmol)
Khối lợng riêng trung bình pha hơi đoạn chng :
5333,1
)344,88273.(4,22
273 . 5,46244
).(4,22
.

=
+
=
+
=
tbCO
O
yC
yC
tT
TM

(kg/m
3
)
Sức căng bề mặt tính theo công thức:

hh

1
=
1
1

+
2
1

[I.360]
Sức căng bề mặt của Nớc:

2

= 62,933.10
-3
(N/m) = 62,933
cm
dyn
[I.361]
Sức căng bề mặt của Etylic:
1

= 17,88.10
-3
(N/m) = 17,88
cm
dyn

hh

= (
1
1

+
2
1

)
-1
= (

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

Vậy hệ số tính đến sức căng bề mặt
[
]


.
= 0,8
Chọn h = 0,45 (m)
Tốc độ khí của hơi đoạn luyện:

(
)
yy


.

tbl
= 0,065.

.
[
]

.
ytblxtbl
h

(Kg/m
2
.s)
Thay số:
(
)
yy


.
tbl
= 0,065.0,8. 1336,1.598,811.45,0 = 1,3235(Kg/m
2
.s)
Tốc độ khí của hơi đoạn chng:

(
)
yy

.
tbc
= 0,065.

.
[
]

.
ytbcxtbc
h

(Kg/m
2
.s)
Thay số:
(
)
yy


.
tbc
= 0,065.0,8.
5333,1.0267,916.45,0
= 1,6341(Kg/m
2
.s)

14
3/ §−êng kÝnh th¸p :


tbyy
tb
)w(ρ
g
D 0188,0=
(m) [II.181]
Trong ®ã :
g
tb
: L−îng h¬i trung b×nh ®i trong th¸p (kg/h)
- §o¹n luyÖn :
Khèi l−îng mol trung b×nh pha h¬i :
(kg/kmol) 826,32=
yL
M

L−u l−îng h¬i trung b×nh : g
tbL
= 0,1006 (kmol/s)
3600.1006,0.826,32 . ==⇒
yL
tbLtb
Mgg

(kg/h) 2641,11888=

- §o¹n ch−ng :
Khèi l−îng mol trung b×nh pha h¬i :
(kg/kmol) 4624,45=
yC
M

L−u l−îng h¬i trung b×nh : g
tbC
= 0,1037 (kmol/s)
3600.1037,0.4624,45 . ==⇒
yC
tbCtb
Mgg

(kg/h) 0231,16972
=

y
w
: VËn tèc h¬i trung b×nh ®i trong th¸p (m/s)
y
ρ
: Khèi l−îng riªng trung b×nh cña h¬i ®i trong th¸p (kg/m
3
)
⇒ §−êng kÝnh ®o¹n luyÖn :

(m) 78,1
3225,1
2641,11888
0188,00188,0 ===
LyL
tb
L
w
g
D
ρ

⇒ §−êng kÝnh ®o¹n ch−ng :

(m) 9,1
6341,1
0231,16972
0188,00188,0 ===
CyC
tb
C
w
g
D
ρ




15

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 tế v chiều cao tháp :
1/ Hệ số khuếch tán :
a/ Hệ số khuếch tán trong pha lỏng:
Hệ số khuếch tán trong pha lỏng ở 20
o
C:


23/1
B
3/1
AB
BA
6-
20
x
)vv.( AB
M
1
M
1
. .101
D
+
+
=

(m
2
/s) [SCS.t12]
Trong đó :
A,B : Hệ số liên hợp của chất tan và dung môi : A= 2; B= 4,7
M
A
, M
B
: Khối lợng mol của Etylic và nớc (kg/kmol)
M
A
= 46(kg/kmol) ; M
B
= 18 (kg/kmol)

B
: Độ nhớt của dung môi ở 20
o
C (cP) :
H
2
0, 20
0
C
= 1 (cP)
v
A
, v
B

: Thể tích mol của Etylic và Nớc (cm
3
/mol)
v
A
= 2.14,8 + 6.3,7 + 1.7,4 =59,2 (cm
3
/mol) v
B
= 2.4,7 + 7,4 = 14,8 (cm
3
/mol)
10
23/13/1
6-
20
10.0376,2
)8,142,59.( 1.7,4.2
18
1
46
1
. .101

=
+
+
=
x
D

(m
2
/s)
Hệ số khuếch tán ở nhiệt độ xác định t:

[]
)20t(b1DD
20
x
t
x
+=
[SCS.t12]
Hệ số nhiệt độ :
3
2,0
b


=




16
: Độ nhớt của dung môi ở 20
o
C (cP) :
H
2

O, 20
0
C
= 1 (cP)
: Khối lợng riêng của dung môi ở 20
o
C (kg/m
3
)

H
2
O, 20
0
C
= 1000 (kg/m
3
)
02,0
1000
12,0
3
== b

Hệ số khuếch tán trong pha lỏng đoạn chng : t = t
tbC
= 88,344C
[]
1010
10.822,4)20344,88(02,0110.0376,2

=+=
xC
D
(m
2
/s)
Hệ số khuếch tán trong pha lỏng đoạn luyện : t = t
tbL
= 79,9144C
[]
1010
10.479,4)209144,79(02,0110.0376,2

=+=
xL
D
(m
2
/s)

b/ Hệ số khuếch tán trong pha hơi:
Hệ số khuếch tán của khí trong khí

BA
23/1
B
3/1
A
5,14

y
M
1
M
1
)vv.( p
T .10.0043,0
D +
+
=

(m
2
/s)
Trong đó :
M
A
, M
B
: Khối lợng mol của Etylic và Nớc (kg/kmol)
M
A
= 46 (kg/kmol) M
B
= 18 (kg/kmol)
v
A
, v
B
: Thể tích mol của Etylic và Nớc (cm

3
/mol)
v
A
= 59,2 (cm
3
/mol) v
B
= 14,8 (cm
3
/mol)
P : áp suất tuyệt đối của hỗn hợp : P = P
0
= 1 (atm)
T : Nhiệt độ tuyệt đối của hỗn hợp : T = 273 + t (
o
K)
Hệ số khuếch tán trong pha hơi đoạn chng : t = t
tbC
= 88,344C
5
23/13/1
5,14
10.0348,2
18
1
46
1
)8,142,59.(1
)344,88273.(10.0043,0

=+
+
+
=
yC
D
(m
2
/s)
Hệ số khuếch tán trong pha hơi đoạn luyện : t = t
tbL
= 79,9144C



17
5
23/13/1
5,14
10.964,1
18
1
46
1
)182,59.(1
)9144,79273.(10.0043,0

=+
+
+
=
yL
D
(m
2
/s)

2/ Hệ số cấp khối :
a/ Độ nhớt của hỗn hợp hơi :

1
2
2
1
1
hhhh
M).y1(M.y
.M

+

=
[I.94]
Trong đó :
y : Nồng độ Etylic trong pha hơi :
- Đoạn chng : y = y
tbC
= 0,9808
- Đoạn luyện : y = y
tbL
= 0,5259
M
hh
: Trọng lợng phân tử của hỗn hợp khí :
- Đoạn chng :
4624,45==
yC
hh
MM
(kg/kmol)
- Đoạn luyện :
826,32==
yL
hh
MM
(kg/kmol)
M

1
, M
2
: Trọng lợng phân tử của Etylic và Nớc :
M
1
= 46 (kg/kmol) M
2
= 18 (kg/kmol)

1
,
2
: Độ nhớt của Etylic và Nớc :
- Đoạn chng : t = t
tbC
= 88,324C theo bảng 1.102 I.134:

1
= 0,0117.10
-3
(Ns/m
2
)
2
= 0,3226.10
-3
(Ns/m
2
)

- Đoạn luyện : t = t
tbL
= 79,9144C theo bảng (I-134):

1
= 0,011310
-3
(Ns/m
2
)
2
= 0,3569.10
-3
(Ns/m
2
)
Độ nhớt hỗn hợp hơi đoạn chng là :
5
1
33
10.1786,1
10.3226,0
18).9808,01(
10.0117,0
46.9808,0
.4624,45



=

+=
hh

(Ns/m
2
)
Độ nhớt hỗn hợp hơi đoạn luyện là :



18
5
1
33
10.5063,1
10.3569,0
18).5295,01(
10.0113,0
46.5295,0
.826,32

=







+=
hh

(Ns/m
2
)

b/ Độ nhớt của hỗn hợp lỏng :

21hh
lg).x1(lg.xlg

+

=
[I.93]
Trong đó :
x : Nồng độ phần mol của Etylic trong hỗn hợp :
- Đoạn chng : x = x
tbC
= 0,0725
- Đoạn luyện : x = x

tbL
= 0,5125

1
,
2
: Độ nhớt động lực của Etylic và Nớc :
- Đoạn chng : t = t
tbC
= 88,344C theo bảng và toán đồ (I-102):

1
= 0,37 (cP)
2
= 0,295 (cP)
- Đoạn luyện : t = t
tbL
= 79,9144C theo bảng và toán đồ (I-102):

1
= 0,435 (cP)
2
= 0,34 (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

hh
= 2,9988 . 10
-4
(Ns/m
2
)
Độ nhớt hỗn hợp lỏng đoạn luyện :
lg(
hh
) = 0,5125 . lg(0,435.10
-3
) + (1- 0,5125) . lg(0,34.10
-3
) = - 3,4136

hh
= 3,856 . 10
-4
(Ns/m
2
)

c/ Chuẩn số Reynolt đối với pha hơi :

y
yy
y
. h .w

Re


=
[II.164]
Trong đó :



19
y
w
: Tốc độ hơi tính cho mặt cắt tự do của tháp (m/s)
- Đoạn chng :
(m/s) 1,0168 w
C
=
=
y
w

- Đoạn luyện :
(m/s) 1,1698 w
L
=
=
y
w

h : Kích thớc dài, chấp nhận bằng 1m

y

: Khối lợng riêng trung bình của hơi (kg/m
3
)
- Đoạn chng :
)/( 5333,1
3
mkg
yCy
==


- Đoạn luyện :
)/( 1336,1
3
mkg
yLy
==


y

: Độ nhớt trung bình của hơi (Ns/m
2
)
Chuẩn số Reynolt đối với pha hơi đoạn chng là :
5
5
10.3864,1

10.1786,1
6341,1
Re ==

y

Chuẩn số Reynolt đối với pha hơi đoạn luyện là :
5
5
10.8779,0
10.5036,1
3225,1
Re ==

y


d/ Chuẩn số Prand đối với pha lỏng :

xx
x
x
D.
Pr


=
[II.165]
Trong đó :
x

: Khối lợng riêng trung bình của lỏng (kg/m
3
)
- Đoạn chng :
x
=
xC
= 916,0267 (kg/m
3
)
- Đoạn luyện :
x
=
xL
= 811,598 (kg/m
3
)
x
D
: Hệ số khuếch tán trung bình trong pha lỏng (m
2
/s)



20
x
μ
: §é nhít trung b×nh cña láng (Ns/m

2
).
⇒ ChuÈn sè Pran ®èi víi pha láng ®o¹n ch−ng lµ :
9,678
10.,8224 . 16,02079
10.9988,2
Pr
10
4
==
−
−
x

⇒ ChuÈn sè Pran ®èi víi pha láng ®o¹n luyÖn lµ :
19,1061
10.,4794 . 11,5988
10.8756,3
Pr
10
4
==
−
−
x


e/ HÖ sè cÊp khèi trong pha h¬i :
Theo c«ng thøc tÝnh cho th¸p chãp:
)11000Re . 79,0(

4,22
D
y
y
y
+=β

kmol
kmol
.s.m
kmol
2
[II.164]
Trong ®ã :
y
D
: HÖ sè khuÕch t¸n trong pha h¬i (m
2
/s)
y
Re
: ChuÈn sè Reynolt ®èi víi pha h¬i.
⇒ HÖ sè cÊp khèi pha h¬i ®o¹n ch−ng lµ :
1094,0)110001,3865.10 . 79,0(
4,22
10.0348,2
5
5
=+=
−

yC
β
kmol
kmol
sm
kmol
2

⇒ HÖ sè cÊp khèi pha h¬i ®o¹n luyÖn lµ :
0704,0)110000,8779.10 . 79,0(
4,22
10.964,1
5
5
=+=
−
yL
β
kmol
kmol
.s.m
kmol
2

f/ HÖ sè cÊp khèi trong pha láng :



21
62,0

x
x
xx
x
Pr.
h .M
D . . 38000
=
kmol
kmol
.s.m
kmol
2

Trong đó :
x

: Khối lợng riêng trung bình của lỏng (kg/m
3
)
- Đoạn chng :
x
=
xC
= 916,0267 (kg/m
3
)
- Đoạn luyện :
x
=

xL
= 811,598 (kg/m
3
)
x
D
: Hệ số khuếch tán trung bình trong pha lỏng (m
2
/s)
x
M
: Khối lợng mol trung bình của lỏng (kg/kmol)
M
x
= x.M
A
+ (1-x).M
B

- Đoạn chng : x = x
tbC
= 0,0725
M
xC
= 0,0725.46 + (1- 0,0725).18 = 20,03 (kg/kmol)
- Đoạn luyện : x = x
tbL
= 0,5125
M
xL

= 0,5125.46+ (1- 0,5125).18 = 32,35 (kg/kmol)
h : Kích thớc dài, chấp nhận bằng 1m.
x
Pr
: Chuẩn số Prand đối với pha lỏng.
Hệ số cấp khối pha lỏng đoạn chng là :
0477,09,678.
1 . 0,032
,822.104 . 916,0267 . 38000
62,0
-10
==
xC

kmol
kmol
.s.m
kmol
2

Hệ số cấp khối pha lỏng đoạn luyện là :
032,019,1061.
1 . 2,353
4,479.10 . 811,598 . 38000
62,0
-10
==
xL

kmol

kmol
.s.m
kmol
2


3/ Hệ số chuyển khối Đờng cong động học Số đĩa thực tế :



22
a/ Hệ số chuyển khối :

xy
y
m1
1
K

+

=
(
kmol
kmol
.s.m
kmol
2
) [II.162]
Trong đó :

x

,
y

: Hệ số cấp khối pha lỏng và pha hơi (
kmol
kmol
.s.m
kmol
2
)

m : Hệ số phân bố vật chất.
b/ Số đơn vị chuyển khối đối với mỗi đĩa trong pha hơi :

P.273.w.3600
K P).T273.(4,22
G
f.K
m
y
y0tb
y
y
yT

+
==
[I.173]

Trong đó :
f : Diện tích làm việc của đĩa
f = F (f
h
.n + m.f
ch
)
f
h
: Mặt cắt ngang của chóp; chọn d
h
= 75mm


f
h
=
4
2
h
d

=
2
1000
75
4

= 4,4179.10
-3
(m
2
)
n: Số ống hơi phân bố trên đĩa;
n =
2
2
.1,0
h
d
D
[II.236]
Thay số: n =
2
2
1000
75
8,1
.1,0

= 36
m: Số ống chảy truyền trên mỗi đĩa; chọn m = 1
f
ch
: Mặt cắt ngang ống chảy truyền;
Tỷ số
ữ= 2,005,0
F
f
ch
Chọn 06,0=
F
f
ch
f
ch
= 0,06.F;



23
Thay số: f =
()
23
2
98,158.10.4179,4
4
2
.88,0

m=



G
y
: Lu lợng hơi đi trong tháp;
G
y
=
2
1006,01037,0
2
+
=
+
tbltbc
gg
= 0,1021(Kmol/s)
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 học (cha biết), thì :
yT
m
y
eC
BC
AC
==

Cho x các giá trị : {0,05 ; 0,1 ; 0,2 ; 0,9}, với mỗi giá trị của x tính hệ số phân bố vật
chất m (m chính bằng hệ số góc của đờng cân bằng), tính hệ số chuyển khối
y
K
, tính số
đơn vị chuyển khối m
yT
và tỷ số C
y
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 Đoạn luyện
x% 5 10 20 30 40 50 60 70 80 88,14

y
% 8,2885 16,6294 28,8132 37,5198 46,2264 54,933 63,6396 73,3462 81,0518 88,14
x
cb
% 0,6916 1,6478 3,7708 6,59 11,7732 23,5407 45,7031 64,7247 79,0149 87,66

y
cb
% 33,2 54,2 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

K
y
.10
3
6,4 10,6 20,5 30,6 40,26 47,51 45,22 39.72 33,16 33,6
m
yT
0,1255 0,2078 0,40188 0,5999 0,7893 0,9314 0,8865 0,7787 0,65 0,659

C
y
1,14 1,23 1,5 1,82 2,2 2,54 2,43 2,18 1,92 1,93
B
C
21,88 22,42 16,19 11,03 6,897 4,12 2,576 1,36 0,389 0,39



24

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

4/ Hiệu suất tháp chiều cao tháp :
Hiệu suất tháp :

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


Theo các thông số của đĩa đã chọn :
- Khoảng cách giữa các đĩa lỗ là : H
đ
= 450 mm
- Chiều dày mỗi đĩa lỗ là : = 2 mm
Chiều cao tháp (Theo công thức II-169):
H = N
TT
(H
đ
+ ) + 0,8 = 72 .(0,4 + 0,002) + 0,8 = 33 (m)
IV. trở lực tháp :

dTT
P.NP =
(N/m
2
) [II.192]
Trong đó :
N

TT
: Số đĩa thực tế của tháp
P
d
: Tổng trở lực của một đĩa (N/m
2
)
tskd
PPPP

+

+=
(N/m
2
)
P
k
: Trở lực của đĩa khô (N/m
2
)
P
s
: Trở lực của đĩa do sức căng bề mặt (N/m
2
)
P
t
: Trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa (trở lực thủy tĩnh) (N/m
2

)
1/ Trở lực của đĩa khô :



25



2
w.
P
2
oy
k

=
(N/m
2
) [II.192]
Trong đó :
: Hệ số trở lực :
= 4,5
ữ
5 ; chọn = 5
y

: Khối lợng riêng pha hơi (Kg/m
3
)

+ Đoạn chng:
)/(533,1
3
mKg
yc
=


+ Đoạn luyện:
)/1336,1
3
mKg
yl
=



o

: Tốc độ khí qua rãnh chóp (m
2
/s)
Để xác định
o

phải thiết kế tháp sao cho diện tích ống hơi bằng tổng diện tích các khe
chóp:
rrohoh
ff

=
Nhng để
roh


= thì
ohr
ff = tức là thiết kế rãnh sao cho tổng diện tích các rãnh bằng
diện tích ống hơi.
Gọi số rãnh là n, khi đó
roh
SnS .
=


ba
d
S
S
n
h
r
oh
.
2
.
2

==


+ Đoạn chng: a=5 mm, b = 36 mm

9,21
36.5
2
71
.14,3
2
=






=n


Chuẩn n = 22
+ Đoạn luyện: a = 5 mm, b = 40 mm


7,19

40.5
2
71
.14,3
2
=






=n
Chuẩn n = 20