thiết kế tháp mâm chóp để chưng cất hỗn hợp benzen – toluen ở áp suất thường

ĐAMH CƠNG NGHỆ CHẾ BIẾN DẦU GVHD : NGUYỄN ĐỨC LAN ANH
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA- VŨNG TÀU
Khoa: Công nghệ Hóa & CN Thực phẩm
Bộ môn: CN CHẾ BIẾN DẦU
ĐỒ ÁN MÔN HỌC:
CƠNG NGHỆ CHẾ BIẾN DẦU
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Ngọc Hải
Lê Trung Hiếu
Nguyễn Vi Vủ
Lớp: DH08H2
1. Đầu đề đồ án: Thiết kế tháp chưng cất hỗn hợp Benzen – Toluen
có năng suất 5004kg/h tính theo sản phẩm đỉnh
2. Nhiệm vụ (nội dung yêu cầu và số liệu ban đầu):
- Nồng độ nhập liệu:
F
= 40%phần khối lượng
- Nồng độ sản phẩm đỉnh:
D
= 98% phần khối lượng
- Nồng độ sản phẩm đáy:
W
= 1% phần khối lượng
- Nguồn năng lượng và các thông số khác tự chọn
3. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:
Xem ở phần mục lục
4. Các bản vẽ và đồ thò (loại và kích thước bản vẽ):
Gồm 2 bản vẽ A3: bản vẽ quy trình công nghệ và bản vẽ chi tiết
thiết bò

Trang 1
ĐAMH CƠNG NGHỆ CHẾ BIẾN DẦU GVHD : NGUYỄN ĐỨC LAN ANH
NHẬN XÉT ĐỒ ÁN
Cán bộ hướng dẫn. Nhận xét:____________________________________
____________________________________________________________
____________________________________________________________
____________________________________________________________
Điểm:______________ Chữ ký:_______________
Cán bộ chấm hay Hội đồng bảo vệ. Nhận xét:______________________
____________________________________________________________
____________________________________________________________
____________________________________________________________
Điểm:______________ Chữ ký:_______________
Điểm tổng kết:
Trang 2
ĐAMH CƠNG NGHỆ CHẾ BIẾN DẦU GVHD : NGUYỄN ĐỨC LAN ANH
MỤC LỤC
Lời mở đầu 5
CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN 6
I. Lý thuyết về chưng cất 6
II. Giới thiệu sơ bộ về ngun liệu 7
CHƯƠNG 2 : QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ 10
CHƯƠNG 3 : CÂN BẰNG VẬT CHẤT 11
I. Các thông số ban đầu 11
II. Xác đònh suất lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy thu được 11
III. Xác đònh tỉ số hoàn lưu làm việc 12
IV. Xác đònh phương trình đường làm việc – Số mâm lý thuyết 14
V. Xác đònh số mâm thực tế 16
CHƯƠNG 4 : TÍNH TOÁN THÁP CHƯNG CẤT 18

I. Đường kính đoạn cất 18
II. Đường kính đoạn chưng 20
III. Trở lực của tháp 22
CHƯƠNG 5 : CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG 25
I. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 25
II. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt nhập liệu 25
III. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đáy 25
IV. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 26
V. Nhiệt lượng cung cấp cho đáy tháp 26
CH ƯƠ NG 6: TÍNH TỐN CƠ KHÍ 27
I. Tính tốn than tháp 27
II. Tính tốn chóp 28
III. Tính tốn đáy nắp thiết bị 29
IV. Bích ghép thân 30
V. Đường kính các ống dẫn – Bích ghép ống dẫn 32
VI. Chân đỡ - tai treo 35
Trang 3
ĐAMH CƠNG NGHỆ CHẾ BIẾN DẦU GVHD : NGUYỄN ĐỨC LAN ANH
CHƯƠNG 7 : TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHU 38
I. Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 38
II. Thiết bò đun sôi đáy tháp 43
III. Thiết bò làm nguôïi sản phẩm đỉnh 46
IV. Thiết bò làm nguội sản phẩm đáy 50
V. Thiết bị đun sơi nhập liệu 55
VI. Bồn cao vị 59
VII. Bơm 61
Kết luận 65
Trang 4
ĐAMH CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN DẦU GVHD : NGUYỄN ĐỨC LAN ANH
LỜI MỞ ĐẦU

Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển đóng góp to lớn cho nền công
nghiệp nước ta nói riêng và thế giới nói chung. Một trong những ngành có đóng
góp vô cùng to lớn đó là ngành công nghiệp hoá học, đặc biệt là ngành sản xuất
các hoá chất cơ bản.
Hiện nay, các ngành công nghiệp cần sử dụng rất nhiều hoá chất có độ
tinh khiết cao. Nhu cầu này đặt ra cho các nhà sản xuất hoá chất sử dụng nhiều
phương pháp để nâng cao độ tinh khiết của sản phẩm như : trích ly, chưng cất,
cô đặc, hấp thu … Tuỳ theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có sự lựa chọn
phương pháp cho phù hợp. Đối với hệ benzen – toluen là hệ 2 cấu tử tan lẫn vào
nhau, ta chọn phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho benzen.
Đồ án môn học Quá trình & Thiết bị là một môn học mang tính tổng hợp
trong quá trình học tập của các kỹ sư Công nghệ Hoá học tương lai. Môn học
này giúp sinh viên có thể tính toán cụ thể : quy trình công nghệ, kết cấu, giá
thành của một thiết bị trong sản xuất hoá chất - thực phẩm. Đây là lần đầu tiên
sinh viên được vận dụng các kiến thức đã học để giải quyết các vấn đề kỹ thuật
thực tế một cách tổng hợp.
Nhiệm vụ của đồ án là thiết kế tháp mâm chóp để chưng cất hỗn hợp
Benzen – Toluen ở áp suất thưởng với năng suất theo sản phẩm đỉnh(Benzene)
là 5004kg/h có nổng độ 98% phần khối lượng benzen, nồng độ sản phẩm đáy là
99% khối lượng Toluene,Nồng độ nhập liệu là 40% khối lượng Benzene, nhập
liệu ở trạng thái lỏng sôi.
Chương 1 :
Trang 5
ĐAMH CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN DẦU GVHD : NGUYỄN ĐỨC LAN ANH
TỔNG QUAN
I. LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT :
1. Khái niệm :
- Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của hỗn hợp lỏng cũng như hỗn
hợp khí lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các
cấu tử trong hỗn hợp (nghĩa là khi ở cùng nhiệt độ, áp suất hơi bão hoà của các

cấu tử khác nhau).
- Thay vì đưa vào trong hỗn hợp một pha mới để tạo nên sự tiếp xúc giữa hai pha
như trong quá trình hấp thu hoặc nhả khí, trong quá trình chưng cất pha mới
được tạo nên bằng sự bốc hơi hoặc ngưng tụ.
- Chưng cất và cô đặc khá giống nhau, tuy nhiên sự khác nhau căn bản nhất của 2
quá trình này là trong quá trình chưng cất dung môi và chất tan đều bay hơi
(nghĩa là các cấu tử đều hiện diện trong cả hai pha nhưng với tỷ lệ khác nhau),
còn trong quá trình cô đặc thì chỉ có dung môi bay hơi còn chất tan không bay
hơi.
- Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu
được bấy nhiêu sản phẩm. Nếu xét hệ đơn giản chỉ có 2 cấu tử thì ta sẽ thu được
2 sản phẩm :
 Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt độ sôi nhỏ)
 Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi nhỏ (nhiệt độ sôi lớn)
- Đối với hệ Benzen – Toluen
 Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm benzen và một ít toluen.
 Sản phẩm đáy chủ yếu là toluen và một ít benzen.
2. Phương pháp chưng cất :
Các phương pháp chưng cất được phân loại theo :
- Áp suất làm việc :
 Áp suất thấp
 Áp suất thường
 Áp suất cao
 Nguyên tắc làm việc : dựa vào nhiệt độ sôi của các cấu tử, nếu nhiệt độ sôi của
các cấu tử quá cao thì ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi của các cấu
tử.
- Nguyên lí làm việc :
 Chưng một bậc
 Chưng lôi cuốn theo hơi nước
 Chưng cất

- Cấp nhiệt ở đáy tháp :
 Cấp nhiệt trực tiếp
 Cấp nhiệt gián tiếp
Vậy : Đối với hệ Benzen – Toluen, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục
ở áp suất thường.
3. Thiết bị chưng cất :
Trang 6
ĐAMH CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN DẦU GVHD : NGUYỄN ĐỨC LAN ANH
Trong sản xuất, người ta thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để
tiến hành chưng cất. Tuy nhiên, yêu cầu cơ bản chung của các thiết bị vẫn giống
nhau nghĩa là diện tích tiếp xúc pha phải lớn. Điều này phụ thuộc vào mức độ
phân tán của một lưu chất này vào lưu chất kia. Nếu pha khí phân tán vào pha
lỏng ta có các loại tháp mâm, nếu pha lỏng phân tán vào pha khí ta có tháp
chêm, tháp phun, …Ở đây ta khảo sát 2 loại thường dùng là tháp mâm và tháp
chêm.
 Tháp mâm : thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có cấu
tạo khác nhau, trên đó pha lỏng và pha hơi đượ cho tiếp xúc với nhau. Tuỳ theo
cấu tạo của đĩa, ta có :
- Tháp mâm chóp : trên mâm bố trí có chóp dạng tròn, xupap, ….
- Tháp mâm xuyên lỗ : trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh.
 Tháp chêm (tháp đệm) : tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối với nhau
bằng mặt bích hay hàn. Vật chêm được cho vào tháp theo một trong
hai phương pháp sau : xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự.
So sánh ưu nhược điểm của các loại tháp :
Tháp chêm Tháp mâm xuyên lỗ Tháp chóp
Ưu
điểm
- Cấu tạo khá đơn giản.
- Trở lực thấp.
- Làm việc được với chất lỏng

bẩn nếu dùng đệm cầu có ρ ≈
ρ của chất lỏng.
- Trở lực tương đối
thấp.
- Hiệu suất khá cao.
- Khá ổn định.
- Hiệu suất cao.
Nhượ
c
điểm
- Do có hiệu ứng thành →
hiệu suất truyền khối thấp.
- Độ ổn định không cao, khó
vận hành.
- Do có hiệu ứng thành → khi
tăng năng suất thì hiệu ứng
thành tăng → khó tăng năng
suất.
- Thiết bị khá nặng nề.
- Không làm việc
được với chất lỏng
bẩn.
- Kết cấu khá phức
tạp.
- Có trở lực
lớn.
- Tiêu tốn nhiều
vật tư, kết cấu
phức tạp.
Vậy :qua phân tích trên ta sử dụng tháp mâm chóp để chưng cất hệ Benzen –

Toluen.
II. GIỚI THIỆU VỀ NGUYÊN LIỆU :
1. Benzen & Toluen :
Benzen: là một hợp chất mạch vòng, ở dạng lỏng không màu và có mùi thơm
nhẹ.Công thức phận tử là C
6
H
6
. Benzen không phân cực,vì vậy tan tốt trong các
dung môi hữu cơ không phân cực và tan rất ít trong nước. Trước đây người ta
thường sử dụng benzen làm dung môi. Tuy nhiên sau đó người ta phát hiện ra
Trang 7
ĐAMH CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN DẦU GVHD : NGUYỄN ĐỨC LAN ANH
rằng nồng độ benzen trong không khí chỉ cần thấp khoảng 1ppm cũng có khả
năng gây ra bệnh bạch cầu, nên ngày nay benzen được sử dụng hạn chế hơn
Các tính chất vật lí của benzen:
o Khối lượng phân tử: 78,11
o Tỉ trọng(20
0
C): 0,879
o Nhiệt độ sôi: 80
o
C
o Nhiệt độ nóng chảy: 5,5
0
C
Toluen: là một hợp chất mạch vòng,ở dạng lỏng và có tính thơm ,công thức
phân tử tương tự như benzen có gắn thêm nhóm –CH
3
. Không phân cực,do đó

toluen tan tốt trong benzen.Toluen có tính chất dung môi tương tự benzen nhưng
độc tính thấp hơn nhiều, nên ngày nay thường được sử dụng thay benzen làm
dung môi trong phòng thí nghiệm và trong công nghiệp.
Các tính chất vật lí của toluen:
o Khối lượng phân tử : 92,13
o Tỉ trọng (20
o
C) : 0,866
o Nhiệt độ sôi : 111
o
C
o Nhiệt độ nóng chảy : -95
o
C
Các phương thức điều chế :
o Đi từ nguồn thiên nhiên
Thông thường các hidrocacbon ít được điều chế trong phòng thí nghiệm,
vì có thể thu được lượng lớn nó bằng phương pháp chưng cất than đá, dầu
mỏ….
o Đóng vòng và dehiro hóa ankane
o Các ankane có thể tham gia đóng vòng và dehidro hóa tạo thành hidro
cacbon thơm ở nhiệt độ cao và có mặt xúc tác như Cr
2
O
3
, hay các lim loại
chuyển tiếp như Pd, Pt
CH
3
(CH

2
)
4
CH
3
 →
3232
/ OAlOCr

C
6
H
6
o Dehidro hóa các cycloankane
Các cycloankane có thể bị dehidro hóa ở nhiệt độ cao với sự có mặt của
các xúc tác kim loại chuyển tiếp tạo thành benzen hay các dẫn xuất cảu
benzen
C
6
H
12
 →
PdPt /

C
6
H
6
o Đi từ acetylen
Đun acetane trong sự có mặt cảu của xúc tác là than hoạt tính hay phức

của niken như Ni(CO)[(C
6
H
5
)P] sẽ thu được benzen
3C
2
H
2

→
xt

C
6
H
6
o Từ benzen ta có thể điều chế được các dẫn xuất của benzen như toluen
bằng phản ứng Friedel-Crafts (phản ứng ankyl hóa benzen bằng các dẫn
xuất ankyl halide với sự có mặt cảu xúc tác AlCl
3
khan
Trang 8
ĐAMH CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN DẦU GVHD : NGUYỄN ĐỨC LAN ANH
C
6
H
6
+ CH
3

- Cl
 →
3
AlCl
C
6
H
5
-CH
3
2. Hỗn hợp benzen – toluen :
Ta có bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp
Benzen – Toluen ở 760 mmHg.(Tham khảo STT1)
x (%
phân
mol)
0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
y (%
phân
mol)
0 11,8 21,4 38 51,1 61,9 71,2 79 85,4 91 95,9 100
t (
o
C) 110,6
108,
3
106,
1
102,
2

98,6 95,2 92,1
89,
4
86,
8
84,4 82,3 80,2
Trang 9
ĐAMH CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN DẦU GVHD : NGUYỄN ĐỨC LAN ANH
Chương 2 :
QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
Hỗn hợp Benzen – Toluen có nồng độ Benzen là 40% (phần khối lượng),
nhiệt độ nguyên liệu lúc đầu là 30
0
C tại bình chứa nguyên liệu (1), được bơm (2)
bơm lên bồn cao vị (3). Dòng nhập liệu được gia nhiệt tới nhiệt độ sôi trong
thiết bị truyền nhiệt ống chùm. Sau đó hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất (6)
ở đĩa nhập liệu và bắt đầu quá trình chưng cất. Lưu lượng dòng nhập liệu được
kiểm soát qua lưu lượng kế (14).
Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn luyện của
tháp chảy xuống. Trong tháp, hơi đi dưới lên gặp lỏng đi từ trên xuống. Ở đây
có sự tiếp xúc và trao đổi giữa hai pha với nhau. Pha lỏng chuyển động trong
phần chưng càng xuống phía dưới càng giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì
đã bị pha hơi tạo nên từ nồi đun (10) lôi cuốn cấu tữ dễ bay hơi. Nhiệt độ càng
lên trên càng thấp, nên khi hơi đi qua các đĩa từ dưới lên thì cấu tử có nhiệt độ
sôi cao là toluen sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có
cấu tử benzen chiếm nhiều nhất (nồng độ 98% phần khối lượng). Hơi này đi vào
thiết bị ngưng tụ (7) được ngưng tụ hoàn toàn. Một phần chất lỏng ngưng tụ đi
qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (8), được làm nguội bằng thiết bị trao đổi
nhiệt ống lồng ống(8) rồi được đưa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh (9). Phần còn
lại của chất lỏng ngưng tụ được hoàn lưu về tháp ở đĩa trên cùng với tỉ số hoàn

lưu thích hợp và được kiểm soát bằng lưu lượng kế(5). Cuối cùng ở đáy tháp ta
thu được hỗn hợp lỏng hầu hết là cấu tử khó bay hơi (Toluen). Hỗn hợp lỏng ở
đáy có nồng độ Toluene là 99% phần khối lượng, còn lại là Benzene. Dung dịch
lỏng ở đáy đi ra khỏi tháp vào nồi đun (10). Trong nồi đun dung dịch lỏng một
phần sẽ bốc hơi cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại ra khỏi
nồi đun được cho qua thiết bị làm nguội sản phẩm đáy (13) rồi đi vào thiết bị
làm nguội sản phẩm đáy(13) sau đó vào bồn chứa sản phẩm đáy(12).
Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là Benzen, sản phẩm đáy là Toluen.
Trang 10
ĐAMH CƠNG NGHỆ CHẾ BIẾN DẦU GVHD : NGUYỄN ĐỨC LAN ANH
Chương 3 :
CÂN BẰNG VẬT CHẤT
I. CÁC THƠNG SỐ BAN ĐẦU :
Chọn loại tháp là tháp mâm chóp.
Khi chưng luyện hỗn hợp Benzen - Toluen thì cấu tử dễ bay hơi là Benzen.
Hỗn hợp:



=⇒
=⇒
molgMCHHCToluen
molgMHCBenzen
T
B
/92:
/78:
356
66
 Năng suất sản phẩm đỉnh : D = 5004kg/h

 Nồng độ nhập liệu : x
F
= 40% phân khối lượng
 Nồng độ sản phẩm đỉnh : x
D
= 98% phân khối lượng
 Nồng độ sản phẩm đáy: x
W
= 99% phân khối lượng
 Nhiệt độ nhập liệu: nhập liệu ở trạng thái lỏng sơi
 Chọn:
 Nhiệt độ nhập liệu: t
FV
= 94
o
C
 Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi làm nguội: t
WR
= 35
o
C
 Nhiệt độ dòng nước lạnh đi vào: t
V
= 30
o
C
 Nhiệt độ dòng nước lạnh đi ra: t
R
= 40
o

C
 Các ký hiệu:

F
, F: suất lượng nhập liệu tính theo kg/h, kmol/h.

D
, D: suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo kg/h, kmol/h.

W
, W: suất lượng sản phẩm đáy tính theo kg/h, kmol/h.
 x
i
, x
i
: nồng độ phần mol, phần khối lượng của cấu tử i.
II. XÁC ĐỊNH SUẤT LƯNG DỊNG NHẬP LIỆU VÀ DỊNG SẢN PHẨM
ĐÁY :
M
F
=x
F
.M
B
+ (1-x
F
).M
T
= 0,4.78 + (1-0.4).92 = 86.4 kg/kmol
M

D
=x
D
.M
B
+ (1- x
D
).M
T
= 0,98.78 + (1-0,98).92 = 78.28 kg/kmol
M
W
=x
W
.M
B
+ (1- x
W
).M
T
= 0,01. 78 + (1-0,01).92 =91,86 kg/kmol
Trang 11
ĐAMH CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN DẦU GVHD : NGUYỄN ĐỨC LAN ANH
44,0
92
4,01
78
4,0
78
4,0

1
=
−
+
=
−
+
=
T
F
B
F
B
F
F
M
x
M
x
M
x
x
012,0
92
01,01
78
01,0
78
01,0
1

=
−
+
=
−
+
=
T
W
B
W
B
W
W
M
x
M
x
M
x
x
983,0
92
98,01
78
98,0
78
98,0
1
=

−
+
=
−
+
=
T
D
B
D
B
D
D
M
x
M
x
M
x
x
Lưu lượng được tính theo công thức:

hkmol
M
D
D
D
/92,63=
Phương trình cân bằng vật chất:
WDE

xWxDxF
WDF
+=
+=
Ta có:

hkg
xx
xx
DW
WD
WF
/67,2205
)(
)(
=
−
−
×=

hkgF
hkmolF
hkgW
hkmolW
/67,7209
/45,83
/67,2205
/01,24
=
=

=
=
F
= 83,45kmol/h
D
= 63,92kmol/h
W
= 24,01kmol/h
F = 7209,67kg/h D = 5004kg/h W = 2205,67kg/h
Trang 12
ĐAMH CƠNG NGHỆ CHẾ BIẾN DẦU GVHD : NGUYỄN ĐỨC LAN ANH
4.0=
F
x
98,0=
D
x
01,0=
W
x
44.0
=
F
x
983,0
=
D
x
012,0
=

W
x
III. XÁC ĐỊNH CHỈ SỐ HỒI LƯU THÍCH HP :
* Chỉ số hồi lưu tối thiểu :
Tỉ số hoàn lưu tối thiểu là chế độ làm việc mà tại đó ứng với số mâm lý
thuyết là vô cực. Do đó, chi phí cố đònh là vô cực nhưng chi phí điều hành
(nhiên liệu, nước và bơm…) là tối thiểu.
Hình 1: Đồ thò cân bằng pha của hệ Benzen – Toluen tại P = 1atm
Dựa vào hình 1 ta có x
F
= 0,44⇒ y
F
*
= 0,643
Tỉ số hoàn lưu tối thiểu :
44,0643,0
3.64,0983,0
*
*
min
−
−
=
−
−
=
FF
FD
xy
yx

R
= 1,68
Tỉ số hoàn lưu làm việc tính theo cơng thức kinh nghiệm: R = 1,5R
min
=
1,5.1,68 = 2,52
Theo Phương pháp thể tích tháp nhỏ nhất ta có: V = S.H
Với S – diện tích tiết diện ngang của tháp; H – chiều cao tháp. Mặt khác diện
tích tiết diện tháp tỉ lệ vơi lượng hơi, lượng hơi này lại tỉ lệ với lượng hồn lưu hay
S tỉ lệ với R. Chiều cao tháp tỉ lệ với số đĩa lý thuyết N
lt
. Vậy thể tích tháp tỉ lệ với
giá trị N
lt
.(R+1). Lần lượt cho các giá trị R và tìm thể tích tháp, ứng với giá trị nào
nhỏ nhất của thể tích tháp thì R đó là tỉ số hồn lưu tối ưu.
R 5 4.5 4 3.5 3 2.5 2
N
lt
12 13 14 16 15 15 18
(R+1).Nl
t 72 71.5 70 72 60 52.5 54
Trang 13
ĐAMH CƠNG NGHỆ CHẾ BIẾN DẦU GVHD : NGUYỄN ĐỨC LAN ANH
Biểu diễn trên đồ thị:
Theo đồ thị trên ta chọn giá trị tỉ số hồi lưu thích hợp R = 2,48
IV . PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LÀM VIỆC - SỐ MÂM LÝ THUYẾT:
1 . Phương trình đường làm việc của đoạn cất:
y =
11 +

+
+ R
x
x
R
R
D
=
148,2
983,0
148,2
48,2
+
+
+
x
= 0,771.x + 0,284
2 . Phương trình đường làm việc phần chưng:
-Phương trình đường làm việc của phần chưng
y=
x
R
fR
1+
+
-
1
1
+
−

R
f
x
W
=1,37x -0.0044
với f=
WF
WD
xx
xx
−
−
=
012,044,0
012,0983,0
−
−
=2,27
Trang 14
R
(R+1).N
lt
ĐAMH CƠNG NGHỆ CHẾ BIẾN DẦU GVHD : NGUYỄN ĐỨC LAN ANH
Hình 2: Đồ thị xác định số mâm lý thuyết chưng hệ Benzen – Toluen tại
P = 1atm
3 . Số đĩa lý thuyết :
Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết :
Dựng đường làm việc của tháp bao gồm đường làm việc phần cất và phần
chưng. Trên đồ thò y-x ta lần lượt vẽ các đường bậc thang từ đó xác đònh
được số đĩa lý thuyết là14.56 đĩa, ta lấy tròn 15

Từ đồ thò, ta có : 15 đĩa bao gồm : 6 mâm cất
1 mâm nhập liệu
6 mâm chưng (5 mâm chưng + 1 nồi
đun)
Tóm lại, số đĩa lý thuyết là N
lt
= 15 mâm.
Trang 15
x
y
AMH CễNG NGH CH BIN DU GVHD : NGUYN C LAN ANH
V . XAC ẹềNH SO MAM THệẽC TE:
cú nhiu phng phỏp xỏc nh s mõm thc ca thỏp, ngoi tr cỏc nh hng
ca thit k c khớ thỏp thỡ ta cú th xỏc nh s mõm thc da vo hiu sut
trung bỡnh:
N
t
= N
lt
/
tb
Trong ú: N
t
s a thc t, N
lt
- s a lý thuyt,
tb
hiu sut trung bỡnh
ca thit b

tb
=
n
nnnn
n
++++
321
Trong ú n
i
- hiu sut ca cỏc bc thay i nng , n - s v trớ tớnh hiu
sut
Trong trng hp ny ta tớnh

tb
=
3
WFD
nnn ++
Vi
D
n
F
n
W
n
- ln lt l hiu sut a trờn cựng, hiu sut a nhp liu
v hiu sut a di cựng
- Xỏc nh
D
n

Ta cú: T

(nhit nh thỏp) = 80
0
C, x
D
= 0,983 suy ra y
D
= 0,994 s dng
bng I.101 trang 91 STT1 tra v ni suy cỏc giỏ tr nht à
B
= 0,316.10
-3
N.s/m
2
, à
T
= 0,319.10
-3
N.s/m
2
.
nht ca hn hp lg à
hh
= x
D
.lgà
B
(1- x

D
).lg à
T
(theo cụng thc I.12
trang 84
[ ]
5
) à
hh
= 0,316. 10
-3
N.s/m
2
(= 0.316cP)
V bay hi tng i =
x
x
y
y

1
.
1
=
983.0
983.01
.
994.01
994.0

= 2,87
. à
hh
= 2,87.0,316 = 0,905, theo hỡnh IX.11 trang 171 thỡ
D
n
= 0,53
- Xỏc nh
F
n
, tng t nh trờn ta cú:
T
F
(nhit a nhp liu) = 94
0
C, x
f
= 0,44 suy ra y
D
= 0,643 s dng bng
I.101 trang 91
[ ]
5
tra v ni suy cỏc giỏ tr nht à
B
= 0,277.10
-3
N.s/m
2
, à

T
=
0,291.10
-3
N.s/m
2
.
Trang 16
ĐAMH CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN DẦU GVHD : NGUYỄN ĐỨC LAN ANH
Độ nhớt của hỗn hợp lg µ
hh
= x
D
.lgµ
B
– (1- x
D
).lg µ
T
(theo công thức I.12
trang 84 STT1)  µ
hh
= 0,293. 10
-3
N.s/m
2
(= 0,293 cP)
Và độ bay hơi tương đối α =
x
x

y
y −
−
1
.
1
=
44.0
44.01
.
643.01
643.0 −
−
= 2,29
 α. µ
hh
= 2,29.0,293 = 0,672, theo hình IX.11 trang 171 thì
D
n
= 0,58
- Xác định
w
n
, tương tự như trên ta có:
T
w
(nhiệt độ đĩa dưới cùng) = 110
0
C, x
w

= 0,012 suy ra y
D
= 0,065 sử dụng bảng
I.101 trang 91
[ ]
5
tra và nội suy các giá trị độ nhớt µ
B
= 0,239.10
-3
N.s/m
2
, µ
T
=
0,250.10
-3
N.s/m
2
.
Độ nhớt của hỗn hợp lg µ
hh
= x
D
.lgµ
B
– (1- x
D
).lg µ
T

(theo công thức I.12
trang 84
[ ]
5
)  µ
hh
= 0,249. 10
-3
N.s/m
2
(= 0,249 cP)
Và độ bay hơi tương đối α =
x
x
y
y −
−
1
.
1
=
012.0
012.01
.
0365.01
0365.0 −
−
= 3,12
 α. µ
hh

= 3,12.0,249 = 0,777, theo hình IX.11 trang 171 thì
D
n
= 0.62
η
tb
=
3
WFD
nnn ++
=
3
62,058,053,0 ++
= 0.58
Suy ra số mâm thực :
N
t
= N
lt
/η
tb
= 15/0,58 = 25,8 lấy tròn 26 mâm
Trang 17
ĐAMH CƠNG NGHỆ CHẾ BIẾN DẦU GVHD : NGUYỄN ĐỨC LAN ANH
Chương 4 :
TÍNH TOÁN THÁP CHƯNG CẤT
* Đường kính tháp chưng cất (D
t
) :
tbyy

tb
g
)ω.(
0188,0
ω.3600.π
4V
D
tb
tb
t
ρ
==
(m)
V
tb
:lượng hơi trung bình đi trong tháp m
3
/h.
ω
tb
:tốc độ hơi trung bình đi trong tháp m/s.
g
tb
: lượng hơi trung bình đi trong tháp Kg/h.
Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng và đoạn cất khác nhau.Do đó,
đường kính đoạn chưng và đoạn cất cũng khác nhau.
I. Đường kính đoạn cất :
1 . Lượng hơi trung bình đi trong tháp ở đoạn cất :
2
1

gg
g
d
tb
+
=
kg/h
g
d
: lượng hơi ra khỏi đóa trên cùng của tháp kg/h
g
1
: lượng hơi đi vào đóa dưới cùng của đoạn cất kg/h
• Xác đònh g
d
:
g
d
= D.(R+1) =63,92.(2,48+1) = 222,4416 kmol/h
= 17412,73 kg/h
(Vì M
hD
=78.y
D
+(1-y
D
).92 = 78,28 kg/kmol)
• Xác đònh g
1
: Từ hệ phương trình :

Trang 18
ĐAMH CƠNG NGHỆ CHẾ BIẾN DẦU GVHD : NGUYỄN ĐỨC LAN ANH





=
+=
+=
dd
D
rgrg
xDxGyg
DGg


11
1111
11
(IV.1)
Với:
G
1
: lượng lỏng ở đóa thứ nhất của đoạn cất .
r
1
: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đóa thứ nhất của đoạn cất
r
d

: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi ra ở đỉnh tháp .
* Tính r
1
: t
1
= t
Fs
= 94
o
C , tra bảng I.212, trang 254, [5] ta có :
Ẩn nhiệt hoá hơi của Benzen : r
B1
= 383,1 kJ/kg.
Ẩn nhiệt hoá hơi của Toluen : r
T1
= 371,3 kJ/kg.
Suy ra : r
1
= r
B1
.y
1
+ (1-y
1
).r
T1
= 373,1y
1
- 11,8y
1

 r
1
= 373,1y
1
- 11,8y
1
kJ/kg
* Tính r
d
: t
D
= 80
o
C , tra bảng I.212, trang 254, [5] ta có :
Ẩn nhiệt hoá hơi của Benzen : r
Bd
= 393,3 kJ/kg.
Ẩn nhiệt hoá hơi của Toluen : r
Td
= 378,3 kJ/kg .
Suy ra : r
D
= r
Bd
.y
D
+ (1-y
D
).r
Td

= 393,3.0,99 + 378,3.0,01
 r
D
= 393,15 kJ/kg
(với x
D
= 0,983 suy ra y
D
theo phân khối lượng là 0,99)
* x
1
= x
F
= 0,4(ta coi n)
Giải hệ (IV.1) , ta được : G
1
=35071,99 kg/h
y
1
= 0,473 (phân khối lượng benzen)
g
1
= 40075,99 kg/h
Vậy : g
tb
=
hkg /36,28744
2
99,4007573,17412
=

+

2 . Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp ở đoạn cất :
Vận tốc hơi đi trong tháp ở đoạn cất:
( )
[ ]
ytbxtb
tb
yy
hw
ρρσϕρ
065,0. =
Với : ρ
xtb
: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng kg/m
3
.
ρ
ytb
: khối lượng riêng trung bình của pha hơi kg/m
3
.
h: khoảng cách mâm (chọn h = 0,3 ứng với D = 0,6-1,2m)
Trang 19
ĐAMH CƠNG NGHỆ CHẾ BIẾN DẦU GVHD : NGUYỄN ĐỨC LAN ANH
[ ]
σϕ
: hệ số tính đến sức căng bề mặt
• Xác đònh ρ
ytb

:
( )
[ ]
( )
273.4,22
273.92.178.
+
−+
=
tb
tbtb
ytb
t
yy
ρ

Với: + Nồng độ phân mol trung bình : y
tb
=
2
1 D
yy +
=
2
99,0468,0 +
= 0,725
+ Nhiệt độ trung bình đoạn cất : t
tb
=
2

1 D
tt +
=
2
5,805,98 +
= 89,5
o
C
Suy ra : ρ
ytb
=2,752 kg/m
3
.
• Xác đònh ρ
xtb
:
Nồng độ phân mol trung bình : x
tb
=
2
DF
xx +
=
2
983,044,0 +
= 0,692
Suy ra :
92).1(.78
.78
tbtb

tb
tb
xx
x
x
−+
=
= 65,5 %.
t
tb
= 89,5
o
C , tra bảng I.2, trang 9, [5], ta có :
3
/804 mkg
benzen
=
ρ
3
/798 mkg
toluen
=
ρ
toluen
tb
benzen
tb
xtb
xx
ρρρ

−
+=
11
ρ
xtb
= 802 kg/m
3
Xác định
[ ]
σϕ
: hệ số tính đến sức căng bề mặt
Ta có:
cmdynmN
hh
TBhh
/7,10/10.7,10
10.5,21
1
10.3,21
1111
3
33
==⇒+=+=
−
−−
σ
σσσ
Với:
B
σ

=21,3.10
-3
N/m,
T
σ
= 21,5.10
-3
N/m (số liệu tra từ bảng I.242 trang 300
STT1)
Ta thấy
hh
σ
< 20 theo STT2 – tr184 chọn
[ ]
σϕ
= 0,8
Trang 20
ĐAMH CƠNG NGHỆ CHẾ BIẾN DẦU GVHD : NGUYỄN ĐỨC LAN ANH

( )
[ ]
smkghw
ytbxtb
tb
yy
./33,1752,2.802.3,0.8,0.065,0 065,0.
2
===
ρρσϕρ

m
g
tbyy
tb
76,2
33,1
36,28744
.0188,0
)ω.(
0188,0D
t
===
ρ
Tốc độ hơi trung bình đi trong đoạn cất:
( )
sm
w
w
y
tb
yy
y
/483,0
752,2
33,1
.
' ===
ρ
ρ
II. Đường kính đoạn chưng :

1 . Lượng hơi trung bình đi trong tháp ở đoạn chưng :
2
1
,,
,
gg
g
n
tb
+
=
; kg/h
g’
n
: lượng hơi ra khỏi đoạn chưng ; kg/h.
g’
1
: lượng hơi đi vào đoạn chưng ; kg/h.
• Xác đònh g’
n
: g’
n
= g
1
= 40075,99 kg/h
• Xác đònh g’
1
: Từ hệ phương trình :






==
+=
+=
1111
1
'
1
1
'
1
'
1
'
.'.''.'
'.
rgrgrg
xWygxG
WgG
nn
WW
(IV.2)
Với : G
’
1
: lượng lỏng ở đóa thứ nhất của đoạn chưng .
r’
1

: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đóa thứ nhất của đoạn
chưng.
* Tính r’
1
: x
W
=0,012(phần mol) tra đồ thò cân bằng của hệ ta có : y*
W
=0,016(phần mol), tương đương với nồng độ khối lượng là y*
W
= 0,014(phần
khối lượng)
t’
1
= t
W
= 110
o
C, tra bảng I.212, trang 254, [5], ta có
Ẩn nhiệt hoá hơi của Benzen : r’
B1
= 370,56 kJ/kg.
Ẩn nhiệt hoá hơi của Toluen : r’
T1
= 362,20 kJ/kg.
 r’
1
= r’
B1
.y

W
+ (1-y
W
).r’
T1
=362,3 kJ/kg
* Tính r
1
: t
1
= t
Fs
= 94
o
C , tra bảng I.212, trang 254, [5] ta có :
Ẩn nhiệt hoá hơi của Benzen : r
B1
= 383,1 kJ/kg.
Ẩn nhiệt hoá hơi của Toluen : r
T1
= 371,3 kJ/kg.
r
1
= r
B1
.y
1
+ (1-y
1
).r

T1
= 378,9 kJ/kg
* W = 2205,67 kg/h
Trang 21
ĐAMH CƠNG NGHỆ CHẾ BIẾN DẦU GVHD : NGUYỄN ĐỨC LAN ANH
Giải hệ (IV.2) , ta được : x’
1
= 0,0158 (phân mol)
G
’
1
= 44117,88 kg/h
g’
1
= 41912,21kg/h
Vậy : g’
tb
=
1,40994
2
21,4191299,40075
=
+
kg/h
2 . Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp ở đoạn chưng :
Vận tốc hơi đi trong tháp ở đoạn chưng:
( )
[ ]
ytbxtb
tb

yy
hw
ρρσϕρ
065,0. =
Với : ρ
xtb
: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng kg/m
3
.
ρ
ytb
: khối lượng riêng trung bình của pha hơi kg/m
3
.
h: khoảng cách mâm (chọn h = 0,3 ứng với D = 0,6-1,2m)
[ ]
σϕ
: hệ số tính đến sức căng bề mặt
• Xác đònh ρ
ytb
:
( )
[ ]
( )
273.4,22
273.92.178.
+
−+
=
tb

tbtb
ytb
t
yy
ρ
Với: + Nồng độ phân mol trung bình : y
tb
=
2
1 D
yy +
=
2
014,0468,0 +
= 0,241
+ Nhiệt độ trung bình đoạn chưng : t
tb
=
2
1 W
tt +
=
2
1105,98 +
= 104,2
o
C
Suy ra : ρ
ytb
=2,96 kg/m

3
.
• Xác đònh ρ
xtb
:
Nồng độ phân mol trung bình : x
tb
=
2
WF
xx +
=
2
012,044,0 +
= 0,226
Suy ra :
92).1(.78
.78
tbtb
tb
tb
xx
x
x
−+
=
= 18,8 %.
t
tb
=

2
WF
tt +
=
=
+
2
11093
101,5
o
C , tra bảng I.2, trang 9,
[ ]
5
, ta có :
3
/793 mkg
benzen
=
ρ
Trang 22
ĐAMH CƠNG NGHỆ CHẾ BIẾN DẦU GVHD : NGUYỄN ĐỨC LAN ANH
3
/788 mkg
toluen
=
ρ
toluen
tb
benzen
tb

xtb
xx
ρρρ
−
+=
11
Suy ra: ρ
xtb
= 789 kg/m
3

Xác định
[ ]
σϕ
: hệ số tính đến sức căng bề mặt
Ta có:
cmdynmN
hh
TBhh
/3,10/10.3,10
10.5,21
1
10.8,18
1111
3
33
==⇒+=+=
−
−−
σ

σσσ
Với:
B
σ
=18,8.10
-3
N/m,
T
σ
= 21,5.10
-3
N/m (số liệu tra từ bảng I.242 trang
300
[ ]
5
)
Ta thấy
hh
σ
< 20 theo STT2 – tr184 chọn
[ ]
σϕ
= 0,8

( )
[ ]
38,196,2.7,789.3,0.8,0.065,0 065,0. ===
ytbxtb
tb
yy

hw
ρρσϕρ


m
g
tbyy
tb
24,3
38,1
1,40994
.0188,0
)ω.(
0188,0D
t
===
ρ
Tốc độ hơi trung bình đi trong đoạn chưng:
( )
sm
w
w
ytb
tb
yy
y
/466,0
96,2
38,1
.

' ===
ρ
ρ
Kết luận : hai đường kính đoạn cất và đoạn chưng không chênh lệch
nhau quá lớn nên ta chọn đường kính của toàn tháp là : D
t
= 3 m.
Khi đó tốc độ hơi ở chế độ làm việc thực:
+ Phần cất : ωlv =
4102,0
752,2.3
36,28744.0188,0
.
.0188,0
2
2
2
2
==
tb
yt
tb
D
g
ρ
m/s
+ Phần chưng : ω
lv
=
544,0

96,2.3
1,40994.0188,0
.
.0188,0
2
2
2
2
==
tb
yt
tb
D
g
ρ
m/s.
* Chiều cao tháp chưng cất (H) :
H = (N
t
-1)H
đ
, m
Trang 23
ĐAMH CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN DẦU GVHD : NGUYỄN ĐỨC LAN ANH
Trong đó N
t
- số đĩa thực tế; H
đ
– khoảng cách giữa các đĩa, m
H = (26-1).0,6=15 m

Vậy kết luận chiều cao tháp H = 15 m
III. Tr ở lực của tháp chóp :
Trở lực của tháp chóp bao gồm: tổn thất áp suất khi dòng khí đi qua đĩa khô,
tổn thất do sức căng bề mặt, tổn thất thất do lớp chất lỏng trên đĩa và bỏ qua
sự biến đổi chiều cao lớp chất lỏng trên đĩa
Trở lực của tháp chóp được xác định the công thức:
2
/,. mNPNP
dtt
∆=∆
Trong đó N
tt
– số đĩa thực tế của tháp;
d
P
∆
- tổng trở lực của một đĩa, N/m
2
d
P∆
=
k
P
∆
+
s
P
∆
+
t

P∆
k
P
∆
- trở lực đĩa khô, N/m
2
s
P∆
- trở lực đĩa do sức căng bề mặt, N/m
2
t
P
∆
- Trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa, N/m
2
 Trở lực của đĩa khô
k
P∆
:
k
P
∆
=
2
.
0
2
w
y
ρ

ξ
Trong đó:
ξ
- hệ số trở lực, thường chọn
ξ
= 4,5 – 5(ở đây ta chọn
ξ
= 5);
y
ρ
- khối lượng riêng của pha hơi, kg/m
3
; w
0
– tốc độ khí qua rãnh chóp, m/s
Với khối lượng riêng pha hơi đi trong toàn tháp:
3
/856,2
2
96,2752,2
mkg
y
=
+
=
ρ
Vận tốc khí trung bình đi qua một rãnh của chóp(phần tính toán chóp ta
chọn một đĩa 10 chóp, một chóp 10 rãnh), vậy:
smw /7,47
10

1
10
1
2
544,04102,0
0
=
+
=
Trang 24
ĐAMH CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN DẦU GVHD : NGUYỄN ĐỨC LAN ANH
Suy ra:
k
P
∆
=
2
2
0
2
/75,14709
2
7,47.586,2
.5
2
.
mN
w
y
==

ρ
ξ
 Trở lực do sức căng bề mặt
s
P∆
, N/m
2
s
P∆
=
tđ
d
σ
.4
, N/m
2
Trong đó
σ
- sức căng bề mặt, N/m; d
tđ
– đường kính tương đương của khe
rãnh chóp,m
Khi rãnh chóp mở hoàn toàn: d
tđ
=
Π
x
f.4
Ở đây
x

f
- diện tích tiết diện tự do của rãnh.
x
f
= a.b = 5.10 = 50mm
2
với a,b
là bề rộng và chiều cao của rãnh chóp, mm.
Π
- chu vi rãnh chóp,
Π
= 2.
(a+b) = 30mm
Suy ra: d
tđ
=
mmm
f
x
3
10.67,667,6
30
50.4
.4
−
===
Π
Vậy
s
P

∆
=
2
3
3
/296,6
10.67,6
10.5,10.4.4
mN
d
tđ
==
−
−
σ
, với
σ
là sức căng bề mặt trung bình
của phần chưng và phần cất, như ta đã tính ở phần vận tốc hơi đi trong tháp
thì

σ
cất
= 10,7.10
-3
N/m,
σ
chưng
= 10,3.10
-3

N/m,
suy ra
σ
=
3
10.5,10
2
−
=
+
chungcât
σσ
N/m
 Trở lực của chất lỏng trên đĩa
t
P∆
, N/m
2
(trở lực thủy tĩnh)
t
P∆
=






−
2

.
b
hg
bb
ρ
, N/m
2
Trong đó b – chiều cao khe chóp, m;
b
ρ
- khối lượng riêng bọt, kg/m
3
; hb –
chiều cao của lớp bọt trên đĩa, m; g – gia tốc trọng trường, m/s
2
Trang 25