Đồ Án Thiết kế dây chuyền sản xuất chưng cất hỗn hợp rượu Etylic và nước

phần I. mở đầu
Giới thiệu chung về dây chuyền sản xuất.
Chng cất là phơng pháp dùng để tách các hỗn hợp lỏng cũng nh 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. Khi chng cất, hỗn hợp đầu có bao nhiêu cấu tử thì ta
thu đợc bấy nhiêu cấu tử sản phẩm. Theo đề bài thì hỗn hợp đầu gồm 2 cấu tử
là RợuEtylic và Nớc nên đợc gọi là chng cất hỗn hợp 2 cấu tử.
Sau quá trình chng cất, ta thu đợc sản phẩm đỉnh là cấu tử có độ bay hơi
lớn hơn(RợuEtylic) và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi bé hơn (Nớc). Sản
phẩm đáy gồm hầu hết các cấu tử khó bay hơi (Nớc) và một phần rất ít cấu tử
dề bay hơi (RơuEtylic).
Trong trờng hợp này ta dùng tháp chng luyện loại tháp đệm, làm việc ở
áp suất thờng (1at) với hỗn hợp đầu vào ở nhiệt độ sôi.
Phần II. Sơ đồ dây chuyền công nghệ.
I. Sơ đồ dây chuyền công nghệ sản xuất. (hình 1)
II. Thuyết minh sơ đồ.
Nguyên liệu đầu đợc chứa trong thùng chứa (1) và đợc bơm (2) bơm lên
thùng cao vị (3). Mức chất lỏng cao nhất và thấp nhất ở thùng cao vị đợc
khống chế bởi của chảy tràn. Hỗn hợp đầu từ thùng cao vị (3) tự chảy xuống
thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu (4), quá trình tự chảy này đợc theo dõi bằng
đồng hồ lu lợng. Tại thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu (4) (dùng hơi nớc bão hoà),
hỗn hợp đầu đợc gia nhiệt tới nhiệt độ sôi, sau khi đạt tới nhiệt độ sôi, hỗn hợp
này đợc đa vào đĩa tiếp liệu của tháp chng luyện loại tháp đệm (5). Trong
tháp, hơi đi từ dới lên tiếp xúc trực tiếp với lỏng chảy từ trên xuống, tại đây
3
xảy ra quá trình bốc hơi và ngng tụ nhiều lần. Theo chiều cao của tháp, càng
lên cao thì nhiệt độ càng thấp nên khi hơi đi qua các tầng đệm từ dới lên, cấu
tử có nhiệt độ sôi cao sẽ ngng tụ. Quá trình tiếp xúc lỏng hơi trong tháp
diễn ra liên tục làm cho pha hơi ngày càng giầu cấu tử dễ bay hơi, pha lỏng
ngày càng giầu cấu tử khó bay hơi. Cuối cùng trên đỉnh tháp ta sẽ thu đợc hầu
hết là cấu tử dễ bay hơi (RợuEtylic) và một phần rất ít cấu tử khó bay hơi(N-

ớc). Hỗn hợp hơi này đợc đi vào thiết bị ngng tụ (6) và tại đây nó đợc ngng tụ
hoàn toàn (tác nhân là nớc lạnh). Một phần chất lỏng sau ngng tụ cha đạt yêu
cầu đợc đi qua thiết bị phân dòng (7) để hồi lu trở về đỉnh tháp, phần còn lại
đợc đa vào thiết bị làm lạnh (8) để làm lạnh đến nhiệt độ cần thiết sau đó đi
vào thùng chứa sản phẩm đỉnh (10).
Chất lỏng hồi lu đi từ trên xuống dới, gặp hơi có nhiệt độ cao đi từ dới
lên, một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp lại bốc hơi đi lên, một phần cấu tử
khó bay hơi trong pha hơi sẽ ngng tụ đi xuống. Do đó nồng độ cấu tử khó bay
hơi trong pha lỏng ngày càng tăng, cuối cùng ở đáy tháp ta thu đợc hỗn hợp
lỏng gồm hầu hết là cấu tử khó bay hơi (Nớc) và một phần rất ít cấu tử dễ bay
hơi (RợuEtylic), hỗn hợp lỏng này đợc đa ra khỏi đáy tháp, qua thiết bị phân
dòng, một phần đợc đa ra thùng chứa sản phẩm đáy (11), một phần đợc tận
dụng đa vào nồi đun sôi đáy tháp (9) dùng hơi nớc bão hoà. Thiết bị (9) này có
tác dụng đun sôi tuần hoàn và bốc hơi hỗn hợp đáy (tạo dòng hơi đi từ dới lên
trong tháp). Nớc ngng của thiết bị gia nhiệt đợc tháo qua thiết bị tháo nớc ng-
ng (12).
Tháp chng luyện làm việc ở chế độ liên tục, hỗn hợp đầu vào và sản
phẩm đợc lấy ra liện tục.
III. Chế độ thuỷ động của tháp đệm.
Trong tháp đệm có 3 chế độ thuỷ động là chế độ chảy dòng, chế độ quá
độ và chế độ xoáy.
Khi vận tốc khí bé, lực hút phân tử lớn hơn và vợt lực lỳ. Lúc này quá
trình chuyển khối đợc xác định bằng dòng khuyếch tán phân tử. Tăng vận tốc
lên lực lỳ trở nên cân bằng với lực hút phân tử. Quá trình chuyển khối lúc này
4
không chỉ đợc quyết định bằng khuyếch tán phân tử mà cả bằng khuyếch tán
đối lu. Chế độ thuỷ động này gọi là chế độ quá độ. Nếu ta tiếp tục tăng vận
tốc khí lên nữa thì chế độ quá độ sẽ chuyển sang chế độ xoáy. Trong giai đoạn
này quá trình khuyếch tán sẽ đợc quyết định bằng khuyếch tán đối lu.
Nếu ta tăng vận tốc khí lên đến một giới hạn nào đó thì sẽ xảy ra hiện t-

ợng đảo pha. Lúc này chất lỏng sẽ chiếm toàn bộ tháp và trở thành pha liên
tục, còn pha khí phân tán vào trong chất lỏng và trở thành pha phân tán. Vận
tốc khí ứng với thời điểm này gọi là vận tốc đảo pha. Khí sục vào lỏng và tạo
thành bọt vì thế trong giai đoạn này chế độ làm việc trong tháp gọi là chế độ
sủi bọt. ở chế độ này vận tốc chuyển khối tăng nhanh, đồng thời trở lực cũng
tăng nhanh.
Trong thực tế, ta thờng cho tháp đệm làm việc ở chế độ màng có vận tốc
nhỏ hơn vận tốc đảo pha một ít vì quá trình chuyển khối trong giai đoạn sủi
bọt là mạnh nhất, nhng vì trong giai đoạn đó ta sẽ khó khống chế quá trình
làm việc.
Ưu điểm của tháp đệm:
+ Hiệu suất cao vì bề mặt tiếp xúc pha lớn.
+ Cấu tạo tháp đơn giản.
+ Trở lực trong tháp không lớn lắm.
+ Giới hạn làm việc tơng đối rộng.
Nhợc điểm.
+ Khó làm ớt đều đệm.
+ Tháp cao quá thì phân phối chất lỏng không đều.
IV. Bảng kê các ký hiệu thờng dùng trong bản đồ án.
- F: Lợng hỗn hợp đầu, kg/h (hoặc kg/s, kmol/h)
- P: Lợng sản phẩm đỉnh, kg/h (hoặc kg/s, kmol/h)
- W: Lợng sản phảm đáy, kg/h (hoặc kg/s, kmol/h)
- Các chỉ số
F, P, W, A, B
: tơng ứng chỉ đại lợng đó thuộc về hỗn hợp đầu,
sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy củaRợuEtylic và Nớc.
5
- a: nồng độ phần khối lợng, RợuEtylic kg /kg hỗn hợp
- x: nồng độ phần mol, kmol RợuEtylic /kmol hỗn hợp
- M: Khối lợng mol phân tử, kg/kmol

- à: độ nhớt, Ns/m
2
- : khối lợng riêng, kg/m
3
- Các chỉ số
A, B, x, y, hh
: tơng ứng chỉ đại lợng thuộc về cấu tử RợuEtylic,
Nớc, thành phần lỏng, thành phần hơi và hỗn hợp.
- Ngoài ra các ký hiệu cụ thể khác đợc định nghĩa tại chỗ.
Phần IIi. Tính toán thiết bị chính
6
I. Tính cân bằng vật liệu.
I.1. Tính toán cân bằng vật liệu.
I.1.1. Hệ phơng trình cân bằng vật liệu.
- Phơng trình cân bằng vật liệu chung cho toàn tháp.
F = P + W [II
144]
- Đối với cấu tử dễ bay hơi
Fa
F
= Pa
p

+ Wa
w
[II
144]
- Lợng sản phẩm đỉnh là:
wp
wF

aa
aa
FP


= .
Trong đó:
F: năng suất tính theo hỗn hợp đầu, kg/s hoặc kg/h
a
F
, a
p
, a
w
: lần lợt là nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp đầu, sản phẩm
đỉnh, sản phẩm đáy, phần khối lợng
Đầu bài cho F = 4000(kg/h).
Vậy ta có lợng sản phẩm đỉnh là:
1537
04,093,0
04,042,0
.3600. =


=


=
wp
wF

aa
aa
FP
(kg/h)
- Lợng sản phẩm đáy là:
W = F -P = 3600-1537= 2063 (kg/h)
I.1.2. Đổi nồng độ phần khối lợng sang nồng độ phần mol của a
F
, a
p
, a
w
.
áp dụng công thức
7
B
B
A
A
A
A
M
a
M
a
M
a
x
+
=

[II 126]
Trong đó:
a
A,
a
B
: nồng độ phần khối lợng của RợuEtylic và Nớc.
M
a,
M
B
: khối lợng mol phân tử củaRợuEtylic và Nớc.
Với
46
62
== oMM
HCA
(kg/kmol)

18
2
==
OHB
MM
(kg/kmol)
Thay số liệu vào ta có:
( )
B
F
A

F
A
F
F
M
a
M
a
M
a
x

+
=
1
221,0
18
42,01
46
42,0
46
42,0
=

+
=
(phần mol)
( )
B
P

A
P
A
P
P
M
a
M
a
M
a
x

+
=
1
839,0
18
93,01
46
93,0
46
93,0
=

+
=
(phần mol)
( )
B

w
A
w
A
w
w
M
a
M
a
M
a
x

+
=
1
016,0
18
04,01
46
04,0
46
04,0
=

+
=
(phần mol)
I.1.3. Tính khối lợng phân tử trung bình của hỗn hợp đầu, sản phẩm

đỉnh, sản phẩm đáy.
Theo công thức: M = x.M
A
+ (1 x)M
B

Trong đó:
M: khối lợng phân tử trung bình, kg/kmol
x: nồng độ phần mol
- Khối lợng phân tử trung bình của sản phẩm đỉnh.
M
p
= x
p
.M
A
+ (1 x
p
)M
B
M
p
= 0,839.0,839 +(1- 0,839).18
M
p
= 39,71 kg/kmol
8
- Khối lợng phân tử trung bình của hỗn hợp đầu.
M
F

= x
F
.M
A
+ (1 x
F
)M
B
M
F
= 0,221.46 +(1- 0,221).18
M
F
= 24,188(kg/kmol)
- Khối lợng phân tử trung bình của sản phẩm đáy.
M
w
= x
w
.M
A
+ (1 x
w
)M
B
M
w
= 0,016.46 +(1- 0,016).18
M
w

= 18,448 (kg/kmol)
I.1.4. Đổi đơn vị của F, P, W từ kg/h sang kmol/h
( )
)/(834,148
188,24
3600/
hkmol
M
hkgF
F
F
===
( )
)/1(706,38
71,39
1537/
hkmol
M
hkgP
P
p
===
( )
)/(828,111
448,18
2063/
hkmol
M
hkgW
W

w
===
I.1.5. Lợng hỗn hợp đầu trên một đơn vị sản phẩm đỉnh:
845,3
706,38
834,148
===
P
F
f
I.2. Xác định số bậc thay đổi nồng độ.
I.2.1. Xác định R
min
dựa trên đồ thị y x .
Dựng đờng cân bằng theo số liệu đờng cân bằng sau: [II 145]
Bảng 1.
x 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90
10
0
Hỗnhợ
p đẳng
phí
y 0
33.
2
44.
2
53.
1
57.

6
61.
4
65.
4
69.
4
75.
3
81.
8
89.
8
10
0
89.4
t
10
0
90.
5
86.
5
83.
.2
81.
7
80.
8
80

79.
4
79
78.
6
78.
4
78.
4
78.15
9
- Từ số liệu trong bảng trên ta vẽ đồ thị đờng nồng độ cân bằng lỏng(x)_
hơi(y) ta có:B
m ax
=0.324 (kẻ tiếp tuyến với đờng nồng độ cân bằng cắt trục
tung ở đâu đó là B
m ax
).mà
R
min
=1,59
-Cho các giá trị từ 1đến 7 của B<B
max
ta tìm đợc những số đĩa khác nhau. Ta
có kết quả trong bảng sau:
Bảng2
B 0.324 0.284 0.244 0.204 0.164 0.124 0.088 0.044
R 1.59 1.95 2.44 3.11 4.12 5.77 8.49 16.33
N
lt

29 20 16 13 12 11 10
N
lt
(R+1) 85,55 68,8 65,76 66,56 81,24 104,9 163,3
.2.2. Tính chỉ số hồi lu thích hợp
Từ đồ thị N(R+1)_R xác định đợc R
th
=3.11 ứng với số đĩa lý thuyết là
N
lt
=16
trong đó có 13 đoạn luyện và 3 đoạn chng.
R
th
: chỉ số hồi lu thích hợp đợc tính theo tiêu chuẩn thể tích tháp nhỏ nhất. Cơ
sở của việc chọn R
th
theo tiêu chuẩn thể tích tháp nhỏ nhất là:
V = H.S
H: tỷ lệ với N
lt
G = W.S = P.(R + 1)
S tỷ lệ với R + 1
V = H.S tỷ lệ với N
lt
(R + 1)
Giá thành tháp tỷ lệ với V, mà V tỷ lệ với N
lt
(R + 1), giá thành tháp thấp nhất
ứng

với thể tích tháp nhỏ nhất. Vì vậy cần phải chọn chế độ làm việc thích hợp cho
tháp, tức là R
th
.
Trong đó: V: là thể tích của tháp
H: chiều cao của tháp
S: tiết diện của tháp
10
1
min
max
+
=
R
x
B
p
N
lt
: số bậc thay đổi nồng độ (số đĩa lý thuyết)
.2.3. Phơng trình đờng nồng độ làm việc của đoạn luyện.
11 +
+
+
=
x
P
x
x
R

X
x
R
R
y
[II 148]
Trong đó:
y: là nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi đi từ dới lên.
x: là nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng chảy từ đĩa
xuống.
R
x
: chỉ số hồi lu.
Thay số liệu vào ta có.
111,3
839,0
111,3
11,3
11 +
+
+
=
+
+
+
= x
R
X
x
R

R
y
x
P
x
x
y
L
= 0,757x + 0,204
I.2.4. Phơng trình đờng nồng độ làm việc của đoạn chng.
w
xx
x
x
R
f
x
R
fR
y
1
1
1 +


+
+
=
[II.158]
Trong đó:

845,3
706,38
834,148
===
P
F
f
: lợng hỗn hợp đầu tính cho 1kmol sản
phẩm đỉnh.
Thay số liệu vào ta có.
016,0.
111,3
1845,3
111,3
845,311,3
1
1
1 +


+
+
=
+


+
+
= xx
R

f
x
R
fR
y
w
xx
x
y
c
= 1,692x 0,0111
II. Tính đờng kính tháp chng luyện.
Đờng kính tháp đợc xác định theo công thức
( )
tb
yy
tb
g
D

.
0188,0=
, (m) [II - 181]
Trong đó:
11
g
tb
: lợng hơi trung bình đi trong tháp, kg/h.
(
y

.
y
)
tb
: tốc độ hơi trung bình đi trong tháp, kg/m
2
.s
Vì lợng hơi và lợng lỏng thay đổi theo chiều cao của tháp và khác nhau trong
mỗi đoạn nên ta phải tính lợng hơi trung bình cho từng đoạn.
II.1. Đờng kính đoạn luyện.
II.1.1. Xác định lợng hơi trung bình đi trong đoạn luyện.
Lợng hơi trung bình đi trong đoạn luyện tính
gần đúng bằng trung bình cộng của lợng hơi
đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp và lợng hơi
đi vào đĩa dới cùng của đoạn luyện.
2
1
gg
g
d
tb
+
=
, (kg/h) [II - 181]
Trong đó:
g
tb
: lợng hơi trung bình đi trong đoạn luyện, kg/h.
g
đ

: lợng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp, kg/h.
g
l
: lợng hơi đi vào đĩa dới cùng của tháp, kg/h.
Lợng hơi ra khỏi đỉnh tháp.
g
đ
= G
R
+ G
p
= G
p
(R
x
+1) [II 181]
g
đ
= 38,706(3,11 + 1)
g
đ
= 159,08(kJ/h)
Lợng hơi đi vào đoạn luyện: Lợng hơi g
1
, hàm lợng hơi y
1
và lợng lỏng G
1
đối với đĩa thứ nhất của đoạn luyện đợc xác định theo hệ phơng trình.
g

1
= G
1
+ G
p
(1)
g
1
.y
1
= G
1
.x
1
+ G
p
.x
p
(2) [II - 182]
g
1
.r
1
= g
đ
.r
đ
(3)
Trong đó:
y

1
: hàm lợng hơi đi vào đĩa 1 của đoạn luyện, phần khối lợng.
G
1
: lợng lỏng đối với đĩa thứ nhất của đoạn luyện.
12
r
1
: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa.
r
đ
: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi ra khỏi đỉnh tháp.
x
1
= x
F
= 0,221(phần mol).
y
1
= y
F
=0,371(phần mol).
r
1
= r
a
.y
1
+ (1-y
1

).r
b
[II - 182]
Với r
a
, r
b
: ẩn nhiệt hoá hơi của các cấu tử nguyên chất là Rợu Etylic và Nớc ở
t
0
= t
F
= 82,86(
0
C)
Nội suy theo bảng I.212 trong [I 254] ta đợc
588,38620
62
==
OHCa
rr
(kJ/kmol).
974,41843
2
==
OHb
rr
(kJ/kmol).
r
1

= 38620,588.y
1
+ (1 y
1
).41843,974
r
1
= 40101,089(kJ/kmol).
y
đ
: hàm lợng hơi đi ra khỏi đỉnh tháp, phần mol.
y
đ
= y
p
= 0,8526 (phần mol).
r
đ
= r
a
.y
đ
+ (1 - y
đ
).r
b
[II - 182]
Với r
a
, r

b
: ẩn nhiệt hoá hơi của các cấu tử nguyên chất là Rợu Etylic và Nớc ở
t
0
= t
p
= 78,53
0
C.
Nội suy theo bảng I.212 trong [I 254] ta đợc
628,38953
62
==
OHCa
rr
(kJ/kmol).
763,42169
2
==
OHb
rr
(kJ/kg).
r
đ
= 38953,628.0,8526+ (1- 0,8526).42169,763
r
đ
= 39427,686 (kJ/kmol).
Thay các giá trị đã tính đợc vào hệ phơng trình trên ta đợc
G1=g

1
-P=156,4-38,706=117,694
Vậy lợng hơi trung bình đi trong đoạn luyện là:
13
4,156
089,40101
686,39427.08,159
.
1
1
===
r
rg
g
dd
74,157
2
4,15608,159
2
1
=
+
=
+
=
gg
g
d
L
tb

(kg/h).
lợng lỏng trung bình đi trong đoạn luyện là:
g
x
=(G
1
+R.P)/2=(117,694+3,11.38,076)/2=118,055(kJ/h).
II.1.2. Tính khối lợng riêng trung bình
Khối lợng riêng trung bình đối với pha hơi đợc tính theo

273.
.4,22
).1(.
11
T
MyMy
BtbAtb
y
tb
+
=

, kg/m
3
. [II -
183]
Trong đó:
M
A
M

B
: khối lợng phần mol của cấu tử Rợu Etylic và Nớc
T: nhiệt độ làm việc trung bình của tháp,
0
K.
y
tb1
: nồng độ phần mol của cấu tử 1 lấy theo giá trị trung bình

2
11
1
cd
tb
yy
y
+
=
[II - 183]
Với
11
,
cd
yy
: nồng độ làm việc tại 2 đầu mỗi đoạn tháp, phần mol.
1
d
y
= y
p

= 0,8526 (phần mol).
1
c
y
= y
F
= 0,5407 (phần mol).
69665,0
2
5407,0839,0
2
11
1
=
+
=
+
=
cd
tb
yy
y
(phần mol).
Với
69665,0=
L
tb
y
(phần mol). Từ đồ thị t_xy ta có:
Ct

tb
y
00
695,80=
T = 80,695 + 273 = 353,695
0
K.
Vậy khối lợng riêng trung bình của pha hơi đối với đoạn luyện là:
273.
.4,22
).1(.
21
11
T
MyMy
tbtb
y
tb
+
=

292,1
695,353.4,22
18).69665,01(46.69665,0
=
+
=
tb
y

(kg/m
3
).
Khối lợng riêng trung bình đối với pha lỏng
14
2
1
1
1
1
1
tbtbtb
x
tb
x
tb
x
aa


+=
, (kg/m
3

). [II - 183]
Trong đó:
tb
x

: khối lợng riêng trung bình của lỏng, kg/m

3
.
21
,
tbtb
xx

: khối lợng riêng trung bình của cấu tử 1 và 2 của pha lỏng lấy theo
nhiệt
độ trung bình, kg/m
3
.
1
tb
a
: phần khối lợng trung bình của cấu tử 1 trong pha lỏng.
675,0
2
93,042,0
2
1
=
+
=
+
=
pF
tb
aa
a

(phần khối lợng).
o
tb
t
: nhiệt độ trung bình của đoạn luyện theo pha lỏng
53,0
2
839,0221,0
2
1
=
+
=
+
=
pF
tb
xx
x
(phần mol).
Với
53,0=
L
tb
x
(phần mol). Từ đồ thị t_xy ta có:
Ct
tb
x
00

84,79=
ứng với t
0
= 79,84
0
C. Nội suy theo bảng I.2 trong [I-9] ta đợc:
152,735
1
=
tb
x

(kg/m
3
).
088,972
2
=
tb
x

(kg/m
3
).
Vậy khối lợng riêng trung bình của lỏng trong đoạn luyện là:
=

+=
2
1

1
1
1
1
tbtbtb
x
tb
x
tb
x
aa

088,972
675,01
152,735
675,0
+
397,798=
tb
x

kg/m
3
II.1.3. Tính tốc độ hơi đi trong tháp
Tốc độ hơi đi trong tháp đệm
= (0,8 ữ 0,9)
s
[II 187]
Với
s

là tốc độ sặc, m/s đợc tính theo công thức
Y = 1,2e
-4X
[II 187]
15
Với
16,0
3
.
2
.
.









=
y
x
xd
yds
tb
tb
Vg
Y

à
à


[II 187]
8/1
4/1
.
















=
tb
tb
x
y
y

x
G
G
X


[II 187]
Trong đó:

đ
: bề mặt riêng của đệm, m
2
/m
3
V
đ
: thể tích tự do của đệm, m
3
/m
3
g: gia tốc trọng trờng, m
2
/s
G
x
, G
y
: lợng lỏng và lợng hơi trung bình, kg/s
tbtb
yx

,
:khối lợng riêng trung bình của pha lỏng và pha hơi, kg/m
3
à
x
, à
n
: độ nhớt của pha lỏng theo nhiệt độ trung bình và độ nhớt của nớc ở
20
o
C, Ns/m
2
Tính G
x
, G
y
.
Ta có G
x
=g
x
.M
tbL.

M
tbL
=x
tbL
.M

R
+(1-x
tbL
).M
N
.
M
Tính độ nhớt.
- Độ nhớt của nớc ở t = 20
o
C, Tra bảng I.102 trong [I 94] ta có à
n
=
1,005.10
-3
Ns/m
2
.
- Độ nhớt của pha lỏng ở t = 61,295
o
C. Nội suy theo bảng I.101 trong [I
91] ta đợc.
3
10.2281,0
63

==
OHCA
àà
N.s/m

2
3
2
10.1

==
HA
àà
N.s/m
2
Vậy độ nhớt của pha lỏng tính theo nhiệt độ trung bình là
lgà
hh
= x
tb
.lgà
A
+ (1 - x
tb
).lgà
B
[I 84]
lgà
hh
= 0,665.lg(0,2281.10
-3
) + (1 0,665)lg(0,3852.10
-3
)
à

hh
= à
x
= 0,27187.10
-3
Ns/m
2
16
Thay số liệu ta có
4535,0
756,775
3,2
.
88,7
12,6
.
8/14/1
8/1
4/1
=

=
















=
tb
tb
x
y
y
x
G
G
X

Y = 1,2e
-4.0,4535
= 0,196
Chọn loại đệm vòng Rasiga bằng sứ đổ lộn xộn. Số liệu trong [II 193]
Bảng 3.
Kích thớc
đệm, mm
Bề mặt riêng

đ
, m
2
/m
3
Thể tích tự
do V
đ
, m
3
/m
3
Số đệm
trong 1m
3
Khối lợng riêng
xốp,
đ
, kg/m
3

30x30x3,5 165 0,76 25.10
2
570
Từ công thức:
16,0
3
.
2
.
.









=
y
x
xd
yds
tb
tb
Vg
Y
à
à

[II 187]
16,0
3
3
3
16,0
3
2
10.005,1
10.27187,0
.3,2.165
756,775.76,0.81,9.196,0










=

=


y
x
yd
xd
s
tb
tb
VgY
à
à




s
2
= 2,1268 m/s

s
= 1,4584 m/s
Lấy = 0,8
s
= 0,8.1,4584 = 1,1667 m/s
Vậy đờng kính của đoạn luyện là:

( )
93,1
3,2.1667,1
86,28382
.0188,0
.
.0188,0 ===
tb
yy
tb
L
g
D

m.
Quy chuẩn đờng kính đoạn luyện là D
L
= 2m
Thử lại điều kiện làm việc thực tế.
- Tốc độ hơi thực tế đi trong đoạn luyện là:
09,1
3,2.2
0188,0.86,28382
2
2
==
y

m/s
17

- Tỷ số giữa tốc độ thực tế và tốc độ sặc là:
747,0
4584,1
09,1
==
s
tt


Vậy chọn đờng kính là 2m có thể chấp nhận đợc.
Kiểm tra cách chọn đệm.
0184,0
165
76,0.4
.4
===
d
d
td
V
d

m
696,108
0184,0
2
==
td
d
D

II. 2. Đờng kính đoạn chng.
II.2.1. Lợng hơi trung bình đi trong tháp
2
1
''
'
gg
g
n
tb
+
=
[II - 182]
Trong đó:
g

n
: lợng hơi đi ra khỏi đoạn chng, kg/h.
g

1
: lợng hơi đi vào đoạn chng, kg/h.
Vì lợng hơi đi ra khỏi đoạn chng bằng lợng hơi đi vào đoạn luyện (g

n
= g
1
)
nên ta có thể viết:
2

1
'
1
'
gg
g
tb
+
=
[II - 182]
Lợng hơi đi vào đoạn chng g

l
, lợng lỏng G
1

và hàm lợng lỏng x

l
đợc xác định
theo hệ phơng trình cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lợng sau:
G

1
= g

1
+ G
w
G

1
. x

1
= g

1
.y
w
+ G
w
.x
w
[II -
182]
g

1
.r

1
= g
1
.r
1
Trong đó:
18
r

1
: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chng.
x
w
: thành phần cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy.
r
1
: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa trên cùng của đoạn chng.
Ta có:
G
w
= W = 15261 kg/h.
x
w
= 0,04 phần mol tơng ứng với 0,03 phần khối lợng
y

1
= y
w
xác định theo đờng cân bằng ứng với x
w
= 0,04 phần mol.
y
w
= 0,112 phần mol.
Đổi y

1
= y

w
= 0,112 phần mol ra phần khối lợng ta có:
0857,0
78).112,01(58.112,0
58.112,0
1
'
=
+
==
w
yy
phần khối lợng
r

1
= r
a
. y

1
+ (1- y

1
).r
b
[II 182]
Với r
a
, r

b
: ẩn nhiệt hoá hơi của các cấu tử nguyên chất ở t
0
= t
w
= 78,66
0
C. Nội
suy theo bảng I.212 trong [I 254] ta đợc.
679,497=
a
r
kJ/kg.
541,394=
b
r
kJ/kg.
=> r

1
= 497,679.0,0857 + (1 0,0857).394,541
r

1
= 364,862 kJ/kg
Thay vào hệ phơng trình trên ta đợc:
G

1
= g

1
+ 15261
G

1
. x

1
= g

1
.0,0857 + 15261.0,03
g

1
.403,3799 = 30332,09.449,64
Giải hệ phơng trình trên ta đợc:
g

1
= 33810,6 kg/h
G

1
= 49071,6 kg/h
x

1
= 0,06838 phần khối lợng

Vậy lợng hơi trung bình đi trong đoạn chng là:
19
345,32071
2
6,3381009,30332
2
1
'
1
'
=
+
=
+
=
gg
g
C
tb
kg/h.
II.2.2. Tính khối lợng riêng trung bình
Khối lợng riêng trung bình đối với pha hơi đợc tính theo
273.
.4,22
).1(.
11
T
MyMy
BtbAtb
y

tb
+
=

, kg/m
3
. [II - 183]
Trong đó:
M
A
M
B
: khối lợng phần mol của cấu tử Rợu Etylic và Nớc
T: nhiệt độ làm việc trung bình của tháp,
0
K.
y
tbc
: nồng độ phần mol của cấu tử 1 lấy theo giá trị trung bình
2
11
cd
tb
yy
y
C
+
=
[II - 183]
Với

11
,
cd
yy
: nồng độ làm việc tại 2 đầu mỗi đoạn tháp, phần mol.
1
d
y
= y
1
= y
w
= 0,112 phần mol
1
c
y
= y
1
= 0,5095 phần mol
31075,0
2
5095,0112,0
2
11
=
+
=
+
=
cd

tb
yy
y
C
phần mol
Với
31075,0=
C
tb
y
phần mol. Nội suy từ số liệu trong bảng IX.2a [II-145] ta đợc
Ct
C
tb
00
8465,74=
T = 74,8465 + 273 = 347,8465
0
K.
Vậy khối lợng riêng trung bình của pha hơi đối với đoạn chng là:
273.
.4,22
).1(.
21
11
T
MyMy
tbtb
y
tb

+
=

515,2273.
8465,347.4,22
78).31075,01(58.31075,0
=
+
=
tb
y

kg/m
3
.
Khối lợng riêng trung bình đối với pha lỏng
2
1
1
1
1
1
tbtbtb
x
tb
x
tb
x
aa

+=
, kg/m
3

[II - 183]
Trong đó:
20
tb
x

: khối lợng riêng trung bình của lỏng, kg/m
3
.
21
,
tbtb
xx

: khối lợng riêng trung bình của cấu tử 1 và 2 của pha lỏng lấy theo
nhiệt
độ trung bình, kg/m
3
.
1
tb
a
: phần khối lợng trung bình của cấu tử 1 trong pha lỏng.
2
'

1
1
aa
a
F
tb
+
=
Với a
1
: nồng độ phần khối lợng của pha lỏng ở đĩa dới cùng của đoạn chng.
Ta có: a
1
= x
1
= 0,06838 phần khối lợng
18419,0
2
06838,030,0
2
'
1
1
=
+
=
+
=
aa
a

F
tb
phần khối lợng
o
tb
t
: nhiệt độ trung bình của đoạn chng theo pha lỏng
2
'
1
1
xx
x
F
tb
+
=
Ta có x
1
= 0,06838 phần khối lợng
( )
08984,0
78
06838,01
58
06838,0
58
06838,0
'
1

=

+
=x
phần mol
2299,0
2
08984,037,0
2
'
1
=
+
=
+
=
xx
x
F
tb
C
phần mol
Với
2299,0=
C
tb
x
phần mol. Nội suy từ số liệu trong bảng IX.2a [II-145] ta đợc
Ct
tb

x
00
8432,71=
ứng với t
0
= 71,4832
0
C. Nội suy theo bảng I.2 trong [I-9] ta đợc:
0117,730
1
=
tb
x

kg/m
3
.
5646,823
2
=
tb
x

kg/m
3
.
Vậy khối lợng riêng trung bình của lỏng trong đoạn chng là:
=

+=

2
1
1
1
1
1
tbtbtb
x
tb
x
tb
x
aa

5646,823
18419,01
0117,730
18419,0
+
573,804=
tb
x

kg/m
3
21
II.2.3. Tính tốc độ hơi đi trong đoạn chng
- Các công thức cũng nh ý nghĩa các ký hiệu có trong các công thức
tính tốc độ hơi đi trong đoạn chng tơng tự nh trong đoạn luyện, chỉ khác về trị
số nên trong phần này không giải thích lai.

Tính G
x
, G
y
.
Ta có G
y
= g
tb
= 32071,345 kg/h
9087,8
3600
345,32071
==
C
y
G
kg/s
1479,10
3600.2
6,4907109,23993
2
'
11
=
+
=
+
=
GG

G
C
x
kg/s
Tính độ nhớt.
- Độ nhớt của nớc ở t = 20
o
C, Tra bảng I.102 trong [I 94] ta có à
n
=
1,005.10
-3
Ns/m
2
.
- Độ nhớt của pha lỏng ở t
o
tb
= 71,8432
o
C. Nội suy theo bảng I.101 trong [I
91] ta đợc.
3
10.2122,0
63

==
OHCA
àà
N.s/m

2
3
10.3462,0
66

==
HCB
àà
N.s/m
2
Vậy độ nhớt của pha lỏng tính theo nhiệt độ trung bình là
lgà
hh
= x
tb
.lgà
A
+ (1 - x
tb
).lgà
B
[I 84]
lgà
hh
= 0,2299.lg(0,2122.10
-3
) + (1 0,2299)lg(0,3462.10
-3
)
à

hh
= à
x
= 0,3095.10
-3
Ns/m
2
Thay số liệu đã tính đợc ta có
5024,0
573,804
515,2
.
9087,8
1479,10
.
8/14/1
8/1
4/1
=

=
















=
tb
tb
x
y
y
x
G
G
X

Y = 1,2e
-4.0,5024
= 0,161
Chọn loại đệm vòng Rasiga bằng sứ đổ lộn xộn nh đã chọn ở trên.
Từ công thức:
22
16,0
3
.
2
.
.









=
y
x
xd
yds
tb
tb
Vg
Y

à
à


[II 187]
16,0
3
3
3
16,0
3
2
10.005,1
10.3095,0
.515,2.165
573,804.76,0.81,9.161,0










=

=


y
x
yd
xd
s
tb
tb
VgY
à
à




s
2
= 1,623 m/s

s
= 1,274 m/s
Lấy = 0,8
s

= 0,8.1,274 = 1,0192 m/s
Vậy đờng kính của đoạn luyện là:
( )
103,2
515,2.0192,1
345,32071
.0188,0
.
.0188,0 ===
tb
yy
tb
C
g
D

m.
Quy chuẩn đờng kính đoạn luyện là D
C
= 2m
Thử lại điều kiện làm việc thực tế.
- Tốc độ hơi thực tế đi trong đoạn chng là:
1268,1
515,2.2
0188,0.345,32071
2
2
==
y

m/s
- Tỷ số giữa tốc độ thực tế và tốc độ sặc là:
8845,0
274,1
1268,1
==
s
tt


Vậy chọn đờng kính là 2m có thể chấp nhận đợc.
Kiểm tra cách chọn đệm.
0184,0
165
76,0.4
.4
===
d
d
td
V
d

m
6957,108
0184,0
2
==
td
C

d
D
III. Tính chiều cao tháp.
23
- Đối với tháp đệm, chiều cao làm việc của tháp hay chiều cao lớp đệm đợc
xác định theo công thức:
H = h
đv
.m
y
(m) [II
175]
Trong đó:
h
đv
: chiều cao của một đơn vị chuyển khối, m
m
y
: số đơn vị chuyển khối xác định theo nồng độ pha hơi.
III.1. Tính chiều cao đoạn luyện.
III.1.1. Tính chiều cao của một đơn vị chuyển khối.
- Chiều cao của một đơn vị chuyển khối của tháp đệm phụ thuộc vào đặc tr-
ng của đệm và trạng thái pha, đợc xác định theo công thức.
21
.
.
h
G
Gm
hh

x
y
dv
+=
[II 177]
Trong đó:
h
1
: chiều cao của một đơn vị chuyển khối đối với pha hơi
h
2
: chiều cao của một đơn vị chuyển khối đối với pha lỏng
m: hệ số phân bố trung bình ở điều kiện cân bằng pha
G
y
, G
x
: lu lợng hơi và lỏng trung bình đi trong tháp, kg/s
Tính chiều cao của một đơn vị chuyển khối h
1
, h
2
.
3/225,0
1
Pr.Re.

yy
d
d

a
V
h

=
, m [II 177]
5,025,0
3/2
2
Pr 256
xx
x
x
Rxh








=

à
,m [II 177]
Trong đó:
a: hệ số phụ thuộc vào dạng đệm, với đệm vòng thì a = 0,123
à
x

: độ nhớt của pha lỏng, Ns/m
2
V
đ
: thể tích tự do của đệm, m
3
/m
3

x
: khối lợng riêng của lỏng, kg/m
3
24
: hệ số thấm ớt của đệm, nó phụ thuộc vào tỷ số giữa mật độ tới thực tế lên
tiết diện ngang của tháp và mật độ tới thích hợp, xác định theo đồ thị IX.16 [II
178]
Với
t
x
tt
F
V
U =
: mật độ tới thực tế, m
3
/m
2
.h
U
tt

= B.
đ
: mật độ tới thích hợp, m
3
/m
2
.h
Trong đó:
V
x
: lu lợng thể tích của chất lỏng, m
3
/h
F
t
: diện tích mặt cắt tháp, m
2

đ
: bề mặt riêng của đệm, m
2
/m
3
B: hằng số, B = 0,065 m
3
/m.h Bảng IX.6 trong [II 177]
- Chọn đệm loại vòng Rasiga có các thông số :
30x30x3,5mm
V
đ

= 0,76 m
3
/m
3

đ
= 165 m
2
/m
3
a = 0,123
Xác định
Ta có
t
x
tt
F
V
U =
;
U
th
= B.
đ

Mà
14,3
4
2.14,3
4

.
22
===
D
F
t

m
2
4,28
756,775
3600.12,6
===
x
x
x
G
V

m
3
/h
0446,9
14,3
4,28
===
t
x
tt
F

V
U
m
3
/m
2
.h

đ
= 165 m
2
/m
3
U
th
= 0,065.165 = 10,725 m
3
/m
2
.h
25
84,0
725,10
0446,9
==
th
tt
U
U
Tra hình IX.16 trong [II 178] ta đợc

L
= 0,91
Xác định chuẩn số Reynon
- Chuẩn số Reynon của pha hơi:
dy
sy
y
à

.
4,0
Re =
[II 178]
Ta có à
y
= à
hh
đợc tính theo
B
B
A
A
hh
hh
MmMm
M
ààà
21
+=
[I

85]
Trong đó:
M
hh
, M
A
, M
B
: khối lợng phân tử của hỗn hợp và cấu tử Rợu Etylic và Nớc.
à
hh
, à
A
, à
B
: độ nhớt của hỗn hợp và cấu tử Rợu Etylic và Nớc
m
1
, m
2
: nồng độ của Rợu Etylic và Nớc tính theo phần thể tích.
Đối với hỗn hợp khí thì nồng độ phần thể tích bằng nồng độ phần mol, nên m
1
= y
1
, m
2
= y
2
= 1 y

1
.
Thay vào ta có:
( ) ( )
B
B
A
A
hh
BA
MyMyMyMy
ààà
.1.1.
1111

+=
+
( ) ( )
BBA
B
ABA
A
hh
MyMy
My
MyMy
My
ààà
1
.

1
)1(
1
.
1
1
11
1
11
1
+

+
+
=
BABAhh
aaaa
ààààà
11
2
21
1
1

+=+=
a
1
, a
2
: nồng độ phần khối lợng của Rợu Etylic và Nớc.

Ta có
7348,0
1
=
tb
y
phần mol
( )
78).7348,01(58.7348,0
58.7348,0
.1.
.
11
1
1
+
=
+
=
BtbAtb
Atb
MyMy
My
a
a
1
= 0,6732 phần khối lợng
26
Từ dụng toán đồ hình I.35 trong [I 117] với X
A

= 8,8; Y
A
= 13,0; X
B
= 8,5;
Y
B
=13,2 và t
o
= 62,2745
0
C ta tìm đợc.
3
10.0088,0

=
A
à
N.s/m
2
3
10.0086,0

=
B
à
N.s/m
2
33
10.0086,0

6732,01
10.0088,0
6732,01


+=
hh
à
=> à
hh
= 8,7336.10
-6
N.s/m
2
08,931
165.10.7336,8
4584,1.3,2.4,0
Re
6
==

y
- Chuẩn số Reynon của pha lỏng:
xdt
x
x
F
G
à

.04,0
Re =
[II 178]
Trong đó:
G
x
: lu lợng lỏng trung bình đi trong tháp, phần trớc đã tính đợc G
x
= 6,12 kg/s
F
t
: diện tích mặt cắt của tháp, F
t
= 3,14 m
2

đ
= 165 m
2
/m
3
à
x
= 0,27187.10
-3
Ns/m
2
Vậy chuẩn số Reynon của pha lỏng là:
7379,1
10.27187,0.165.14,3

12,6.04,0

.04,0
Re
3
===

xdt
x
x
F
G
à
Xác định chuẩn số Pran.
- Chuẩn số Pran của pha hơi:
yy
y
y
D.
Pr

à
=
[II 178]
Hệ số khuyếch tán D
y
trong pha hơi tính theo.
BA
BA
y

MM
vvP
T
D
11
.
).(
.10.0043,0
2
5,14
3
1
3
1
+
+
=

, m
2
/s [II 127]
Trong đó:
27