Thiết kế tháp chưng luyện loại tháp lưới để tách hỗn hợp hai cấu tử axeton – rượu etylic

MỞ ĐẦU
Ngày nay cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, nền công nghiệp đã mang
lại cho con người những lợi ích vô cùng to lớn về vật chất và tinh thần. Để nâng cao đời
sống nhân dân, để hòa nhập chung với sự phát triển chung của các nước trong khu vực
cũng như trên thế giới Đảng và Nhà nước ta đã đề ra mục tiêu công nghiệp hóa và hiện
đại hóa đất nước. Trong tiến trình công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước những ngành
mũi nhọn như công nghệ thông tin, công nghệ sinh học, công nghệ điện tử tự động hóa…
công nghệ hóa giữ vai trò quan trọng trong việc sản xuất các sản phẩm phục vụ cho nền
kinh tế quốc dân, tạo tiền đề cho nhiều ngành khác phát triển.
Khi kinh tế phát triển thì nhu cầu của con người ngày càng tăng. Do vậy các sản
phẩm cũng đòi hỏi cao hơn, đa dạng hơn, phong phú hơn, theo đó công nghệ sản xuất
cũng phải nâng cao. Trong công nghệ hóa học nói chung việc sử dụng hóa chất có độ tinh
khiết cao là yếu tố căn bản tạo ra sản phẩm có chất lượng cao. Có nhiều phương pháp
khác nhau để làm tăng nồng độ, độ tinh khiết như: chưng cất, cô đặc, trích ly. Tùy vào
tính chất của hệ mà ta lựa chọn phương pháp thích hợp. Đối với hệ axeton – nước là hai
cấu tử an lẫn hoàn toàn ta phải dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết
của axeton.
Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị là một môn học mang tính tổng hợp trong
quá trình học tâp của các cử nhân công nghê thực phẩm tương lai. Môn học giúp sinh
viên giải quyết nhiệm vụ tính toán cụ thể về: yêu cầu công nghệ, kết cấu, giá thành của
một thiết bị trong sản suất hóa chất – thực phẩm. Đây là bước đầu tiên để sinh viên vận
dụng những kiến thức đã học của nhiều môn học vào giải quyết những vấn đề kĩ thuật
thực tế một cách tổng hợp.
Nhiệm vụ đồ án môn học là “ Thiết kế tháp chưng luyện loại tháp lưới để tách
hỗn hợp hai cấu tử axeton – Rượu etylic.
Em xin chân thành cám ơn các thầy cô bộ môn Quá Trình và Thiết bị đã giúp em
hoàn thành đồ án này.
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG
1.1.GIỚI THIỆU VỀ HỖN HỢP CHƯNG LUYỆN
1.1.1. Rượu etylic ( C
2

H
5
OH)
Rượu etylic còn được biết đến với tên gọi etanol, ancol etylic, rượu ngũ cốc hay
cồn.
Là một hợp chất hữu cơ nằm trong dãy đồng đang của ancol metylic, dễ cháy,
không màu.
Là một ancol mạch thắng, công thức phân tử là C2H6O hay C2H5OH.
a) Tính chất vật lý:
Là một chất lỏng không màu, mùi thơm dễ chịu và đặc trưng, vị cay, nhẹ hơn
nước (khối lượng riêng là 0,7936 g/ml ở 15°C), dễ bay hơi (sôi ở 78,39°C), hóa rắn ở -
114,15°c, tan vô hạn trong nước; tan trong ete và clorofom, hút ẩm, dễ cháy, khi cháy
không có khói và ngọn lửa có màu xanh da trời. Sở dĩ rượu etylic tan vô hạn trong
nước và có nhiệt độ sôi cao hơn nhiều so với este hay andehit có khối lượng phân tử
xấp xỉ là do sự tạo thành liên kết hidro giữa các phân tử rượu với nhau và với nước.
b) Tính chất hóa học:
- Phản ứng thế với kim loại kiềm, kim loại kiềm thố:
2C2H5OH + 2Na -ỳ2C
2
H
5
ONa + H
2
- Phản ứng este hóa- phản ứng giữa rượu và axit với môi trường H2SO4 đặc
nóng tạo ra este:
c
2
H
5
OH + CH3COOH -ỳCH3COOC2H5 + h

2
0
- Phản ứng loại nước tạo olefin trong môi trường H2SO4 đặc ở 180°C:
C2H5OH -ỳ C2H4 + H
2
0
- Phản ứng tách nước giữa hai phân tử ancol tạo ra ete:
C2H5OH + C2H5OH -ỳ C2H5OC2H5 + H
2
0
- Phản ứng oxi hóa:
C2H5OH + CuO -» CH3CHO + Cu + H
2
0
C2H5OH + 0
2
-ỳ CH3COOH + H
2
0 C2H5OH +
0
2
-> C0
2
+ H
2
0
- Phản ứng riêng:
o Phản ứng tạo butadiene-1,3: Cho hơi rượu đi qua chất xúc tác hỗn hợp, ví
dụ AI2O3 + Cu ở 380-400°C, lúc đó xảy ra phản ứng tách loại nước:
2 C2H5OH -» CH

2
=CH-CH=CH
2
+ 2H
2
0 + H
2
o Phản ứng lên men giấm: Oxi hóa rượu 10° bằng oxi không khí có mặt men
giấm ở nhiệt độ khoảng 25°C:
C2H5OH + 0
2
-ỳ CH3COOH + H
2
0
c) Điều chế:
Rượu etylic được sản xuất bằng cả công nghiệp hóa dầu, thông qua công nghệ
hyđrat hóa êtylen, và theo phương pháp sinh học, bằng cách lên men đường hay ngũ cốc
với men rượu.
d) Ứng dụng của rượu etylic:
- Thực phẩm: đồ uống, rượu mùi, pha chế cồn thực phẩm, làm giấm.
- Công nghệ khai thác: Tổng hợp hóa học, thuốc
1.1.2 Axeton
Acetone là hợp chất hữu cơ có công thức phân tử (CH
3
)
2
CO, là chất lỏng không
màu, dễ cháy và là hợp chất đơn giản nhất trong họ ketones. Acetone hòa tan được trong
nước và dễ bay hơi nên nó thường được dùng trong phòng thí nghiệm để rửa các thiết bị
có lẫn nước.

a) Tính chất:
- Công thức phân tử: C
3
H
6
O
- Khối lượng phân tử: 58.08g/mol
- Ngoại quan: Chất lỏng không màu
- Mùi: Dung môi
- Tỉ trọng: 0.791g/cm
3
- Nhiệt độ đông đặc: -95
o
C
- Nhiệt độ sôi: 56-57
o
C
- Tính tan trong nước: Tan vô hạn
- Áp suất hơi: 24.46-24.60 kPa (ở 20
o
C)
- Độ nhớt: 0.3075cp (ở 20
o
C)
b) Điều chế:
-Acetone được sản xuất trực tiếp hoặc gián tiếp từ propylene. Khoảng 83%
acetone được sản xuất bằng quy trình cumene. Quy trình này cũng đồng thời sản xuất ra
phenol. Trong quy trình này benzene được alkyl hóa với propylene cho ra cumene
(isopropylbenzene), tuy nhiên sản phẩm này ngay lập tức bị oxi hóa cho ra phenol và
acetone.

-Một số phương pháp khác để điều chế acetone là oxy hóa trực tiếp propylene
(quy trình Wacker - Hoechst) hay thủy phân propylene để cho ra 2-propanol, sau đó được
oxi hóa cho ra acetone.
-Trước đây acetone được sản xuất bằng cách chưng cất khô các muối acetate như
calcium acetate. Trong thế chiến thứ I acetone được sản xuất bằng việc lên men vi sinh,
phương pháp này sau đó được Chaim Weizmann (sau này là tổng thống đầu tiên của
Israel) để hỗ trợ cuộc chiến tranh của Anh. Phương pháp này sau đó bị lãng quên do hiệu
suất sản xuất thấp.
c) Ứng dụng
Một phần ba lượng acetone trên thế giới được dùng làm dung môi, một phần tư
được dùng để sản xuất methyl methacrylate và nhiều ứng dụng khác như:
- Acetone là một dung môi ưa chuộng cho nhiều loại nhựa và sợi tổng hợp bao
gồm cả những chất được sử dụng trong phòng thí nghiệm như các chai đựng làm bằng
polystyrene, polycarbonate và một số polypropylene.
- Là dung môi lý tưởng cho sợi thủy tinh, dùng để tẩy rửa các dụng cụ bằng sợi
thủy tinh.
- Dùng để pha keo epoxy 2 thành phần trước khi đóng rắn.
- Dùng làm dung môi pha sơn và vecni.
- Dùng để tẩy rửa các loại dầu mỡ nặng, tẩy rửa bề mặt kim loại trước khi sơn.
- Dung môi pha nhựa polyester, vinyl.
- Dùng để sản xuất methyl isobutyl carbinol (MIBC), methyl isobutyl ketone
(MIBK).
- Dùng làm dung môi, làm tá dược trong ngành dược phẩm.
- Làm tác nhân biến tính cho rượu biến tính.
- Dùng làm dung môi hòa tan acetylene trong việc lưu trữ và bảo quản loại khí
này, 1 lit acetone có thể hòa tan 250 lit khí acetylene.
- Dùng để sản xuất methyl methacrylate, là một monomer quan trọng trong việc
tổng hợp nhựa polymethylmethacrylate.
- Dùng để sản xuất Bisphenol A, một hợp chất quan trọng để sản xuất nhiều loại
polymer như polycarbonate, polyurethane và nhựa epoxy.

- Được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực y học, mỹ phẩm như tẩy da.
- Làm dung môi cho các phản ứng ở phòng thí nghiệm, đặc biệt trong các phản
ứng thế SN
2 .
- Dùng làm chất tẩy sơn móng tay.
=>Nhìn chung Axeton có nhiều ứng dụng trong công nghiệp cũng như trong đời
sống hằng ngày nên cần thiết phải tách riêng được chúng.
1.2. LÍ THUYẾT VỀ CHƯNG LUYỆN
1.2.1 Phương pháp chưng luyện.
Chưng luyện là một phương pháp nhằm để phân tách một hỗn hợp khí đã hóa lỏng
dựa trên độ bay hơi tương đối khác nhau giữa các cấu tử thành phần ở cùng một áp suất.
Phương pháp chưng luyện này là một quá trình trong đó hỗn hợp được bốc hơi và
ngưng tụ nhiều lần. Kết quả cuối cùng ở đỉnh tháp ta thu được một hỗn hợp gồm hầu hết
các cấu tử dễ bay hơi và nồng độ đạt yêu cầu.Phương pháp chưng luyện cho hiệu suất
phân tách cao, vì vậy nó được sử dụng nhiều trong thực tế.
Dựa trên các phương pháp chưng luyện liên tục, người ta đưa ra nhiều thiết bị
phân tách đa dạng như tháp chóp, tháp đĩa lỗ không có ống chảy truyền, tháp đĩa lỗ có
ống chảy truyền, tháp đệm… Cùng với các thiết bị ta có các phương pháp chưng cất là:
a. Áp suất làm việc:
- Chưng cất ở áp suất thấp.
- Chưng cất ở áp suất thường.
- Chưng cất ở áp suất cao.
Nguyên tắc của phương pháp này là dựa trên nhiệt độ sôi của các cấu tử: nếu nhiệt
độ sôi của các cấu tử quá cao thì giảm áp suất làm việc để giảm nhệt độ sôi của các cấu
tử.
b. Nguyên lý làm việc: có thể làm việc theo nguyên lý liên tục hoặc gián đoạn:
•Chưng gián đoạn: phương pháp này được sử dụng khi:
+ Nhiệt độ sôi của các cấu tử khác xa nhau.
+ Không cần đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao
+ Tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi.

+ Tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử.
• Chưng liên tục: là quá trình được thực hiện liên tục, nghịch dòng và nhiều đoạn.
lý thuyết.
1.2.2.Thiết bị chưng luyện
Trong sản xuất thường dùng rất nhiều loại tháp khác nhau : tháp đĩa, tháp đệm,
tháp phun, tháp màng…
Tuy nhiên, yêu cầu cơ bản chung của các thiết bị vẫn giống nhau là diện tích bề
mặt tiếp xúc pha 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 các loại tháp đĩa, nếu pha lỏng phân
tán vào pha khí ta có tháp đệm, tháp phun
 Tháp đĩa :
Tháp có thân hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các đĩa có cấu tạo khác nhau
để chia tháp thành những đoạn bằng nhau, trên đĩa có pha lỏng và pha hơi được cho tiếp
xúc với nhau. Tùy theo cấu tạo của đĩa, ta có :
• Tháp đĩa chóp :
Tháp đĩa thường cấu tạo gồm thân hình trụ thẳng đứng, bên trong có đặt các tấm
ngăn (đĩa) cách nhau một khoảng nhất định. Trên mỗi đĩa hai pha chuyển động ngược
hoặc chéo chiều : lỏng từ trên xuống ( hoặc đi ngang), khí từ dưới lên hoặc xuyên qua
chất lỏng chảy ngang ; ở đây tiếp xúc pha xảy ra theo từng bậc là đĩa. Tùy thuộc cấu tạo
của đĩa chất lỏng trên đĩa có thể là khuấy lý tưởng hay dòng lỏng chảy qua. Trên đĩa có
cấu tạo đặc biệt để lỏng đi từ đĩa trên xuống đĩa dưới theo đường riêng biệt gọi là ống
chảy chuyền, đĩa cuối cùng ống chảy chuyền ngập sâu trong khối chất lỏng đáy tháp gọi
là van thủy lực ngăn không cho khí (hơi hay lỏng) đi theo ống lên đĩa trên.
Pha khí (hơi hay lỏng) xuyên qua các lỗ, khe chóp, khe lưới, hay khe xupap sục vào
pha lỏng trên đĩa. Để phân phối đều chất lỏng người ta dùng tấm ngăn điều chỉnh chiều
cao mức chất lỏng trên đĩa.
• Tháp lưới (Tháp đĩa lỗ ) :
Tháp lưới (Tháp đĩa lỗ ) hình trụ, bên trong có nhiều đĩa, có lỗ tròn hoặc rãnh. Chất lỏng
chảy từ trên xuống qua các ống chảy chuyền. Khí đi từ dưới lên qua các lỗ hoặc rãnh đĩa.
Đĩa có thể lắp cân bằng hoặc xuyên một góc 1/45 – 1/50. Trong trường hợp này khí và

lỏng cùng chảy qua một lỗ trên đĩa, vì vậy không có hiện tượng giảm chiều cao chất lỏng
trên đĩa như trong các loại tháp có ống chảy chuyền khác, và tất cả bề mặt đĩa đều làm
việc, nên hiệu quả của đĩa cao hơn. Vì vậy trong những năm gần đây loại tháp này đang
được sử dụng rộng rãi.
 Tháp đệm :
Tháp hình trụ, gồm nhiều đoạn nối với nhau bằng mặt bích hay hàn. Vật đệm được
cho vào tháp theo một trong hai phương pháp : xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự. Cấu tạo
gồm : thân tháp rỗng, bên trong đổ đầy đệm làm từ vật liệu khác nhau (gỗ, nhựa, kim
loại, gốm…) với những hình dạng khác nhau (trụ, cầu, tấm, yên ngựa,…) ; lưới đỡ đệm,
ống dẫn khí và lỏng vào ra. Để phân phối đều lỏng lên khối đệm chứa trong tháp, người
ta dùng bộ phận phân phối dạng : lưới phân phối (lỏng đi trong ống – khí ngoài ống ;
lỏng và khí đi trong cùng ống) ; màng phân phối ; vòi phun hoa sen (dạng trụ, bán cầu,
khe) ; bánh xe quay (ống có lỗ, phun quay…).
Các phần tử đệm được đặc trưng bằng : đường kính d, chiều cao h, bề dày δ. Đối
với đệm trụ, h=d chứ được nhiều phần tử nhất trong một đơn vị thể tích.
Khối đệm được đặc trưng bằng các kích thước : bề mặt riêng a (m
2
/m
3
) ;
thể tích tự do ε (m
2
/m
3
) ; đường kính tương đương d(tđ) = 4r(thủy lực) = 4.S/n = 4ε/a ;
tiết diện tự do S(m
2
/m
3
).

Khi chọn đệm cần lưu ý : thấm ướt tốt chất lỏng ; trở lực nhỏ, thể tích tự do và tiết
diện ngang lớn ; có thể làm việc với trọng tải lớn của lỏng và khí khi ε và S lớn ; khối
lượng riêng nhỏ ; phân phối đều lỏng ; có tính chịu ăn mòn cao, rẻ tiền, dễ kiếm…
 So sánh ưu nhược điểm của các loại tháp :
Tháp đệm Tháp lưới Tháp đĩa chóp
Ưu
điểm
- Cấu tạo đơn giản.
- Trở lực thấp.
- Làm việc được với
chất lỏng bẩn nếu dùng
đệm cầu có ρ~=ρ của
chất lỏng.
- Hiệu suất tương đối cao.
- Hoạt động tương đối ổn định.
- Vệ sinh dễ dàng.
- Trở lực thấp hơn tháp chóp.
- Ít tốn kim loại hơn tháp chóp.
- Hiệu suất cao.
- Hoạt động ổn
định.
- Làm việc với
chất lỏng bẩn.
- Ít tiêu hao
năng lượng nên
số đĩa thấp hơn.
Nhược
điểm
- Hoạt động kém ổn
định, khó vận hành.

- Do có hiệu ứng thành
→ hiệu suất truyền
khối thấp, khó tăng
năng suất.
- Dễ bị sặc.
- Thiết bị khá nặng nề.
- Trở lực khá cao.
- Không làm việc được với chất lỏng
bẩn.
- Yêu cầu lắp đặt khắt khe : lắp đĩa
thật phẳng.
- Đối với những tháp có đường kính
lớn (>2.4 m) ít dùng tháp đĩa xuyên lỗ
vì chất lỏng phân phối không đều trên
đĩa.
- Cấu tạo phức
tạp.
- Trở lực lớn.
- Thiết bị khá
nặng.
Ở đồ án này, để phân tách hỗn hợp hai cấu tử aceton-rượu etylic em được
giao nhiệm vụ thiết kế hệ thống chưng cất loại tháp lưới.
1.3. Quy trình sản xuất
Chú thích:
1:Thùng chứa hỗn hợp đầu 7:Thiết bị làm lạnh sẩn phẩm đỉnh
2:Bơm 8: Thiết bị chứa sản phẩm đỉnh
3: Thùng cao vị 9: Thiết bị gia nhiệt đáy tháp
4:Thiết bị gai nhiệt hỗn hợp đầu 10: Thùng chứa sản phẩm đáy
5: Tháp chưng luyện 11:Thiết bị tháo nước ngưng.
6: Thiết bị ngưng tụ hồi lưu

 THUYẾT MINH QUY TRÌNH:
Hỗn hợp Acetone- Rượu etylic có nồng độ Acetone 30% ( theo số mol) , nhiệt độ
khoảng 20
0
C tại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3). Từ đó
được đưa đến thiết bị gia nhiệt (3) bằng hơi nước bão hòa. Ở đây, hỗn hợp được đun sôi
đến nhiệt độ sôi . Sau đó, hỗn hợp được đưa qua lưu lượng kế (6) vào tháp chưng cất (8)
ở đĩa nhập liệu.
Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn cất của tháp chảy
xuống. Trong tháp hơi, đi từ dưới lên gặp chất lỏng 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
dưới càng giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi tạo nên từ nồi đun (11) lôi
cuốn cấu tử 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 nước sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta
thu được hỗn hợp có cấu tử Acetone chiếm nhiều nhất ( có nồng độ 87% theo số mol).
Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ (9) và được ngưng tụ một phần ( chỉ ngưng tụ hồi lưu).
Một phần chất lỏng ngưng đi qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (15), được làm nguội
đến 30
0
C , rồi được đưa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh (16). Phần còn lại của chất lỏng
ngưng được hồi lưu về tháp ở đĩa trên cùng với tỷ số hoàn lưu tối ưu . Một phần cấu tử có
nhiệt độ sôi thấp được bốc hơi, còn lại cấu tử có nhiệt độ sôi cao trong chất lỏng ngày
càng tăng . Cuối cùng, ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng gồm hầu hết là cấu tử khó
bay hơi (Rượu etylic). Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độ Acetone là 0.05% theo số mol,
còn lại là rượu etylic. Dung dịch lỏng ở đáy đi ra khỏi tháp, một phần dược đun, bốc hơi
ở nồi đun (11) cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại được làm nguội
đến 40
0
C bằng thiết bị trao đổi nhiệt (12).
Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là Acetone, sản phẩm đáy sau khi

trao đổi nhiệt với nhập liệu được thải bỏ.
CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH
2.1. TÍNH CÂN BẰNG VẬT LIỆU
2.1.1. Giải thích các kí hiệu:
G
F
: Lưu lượng khối lượng của hỗn hợp đầu.
G
P
: Lưu lượng khối lượng của sản phẩm đỉnh.
G
W
:Lưu lượng khối lượng của sản phẩm đáy.
N
F
:Lưu lượng mol của hỗn hợp đầu.
N
P
:Lưu lượng mol của sản phẩm đỉnh.
N
W
: Lưu lượng mol của sản phẩm đáy.
a
F
: Nồng độ phần mol của hỗn hợp đầu.
a
P
, a
W
: Nồng độ phần khối lượng của sản phẩm đỉnh và đáy.

x
F
:Nồng độ phần mol của hỗn hợp đầu.
x
P
, x
W
: Nồng độ phần mol của sản phẩm đỉnh và đáy.
ρ
F
:Khối lượngriêng của hỗn hợp đầu.
ρ
P
, ρ
W
:Khối lượngriêng của sản phẩm đỉnh và đáy.
M: Khối lượng phân tử.
V
F
:Lưu lượng thể tích của hỗn hợp đầu.
V
P
, V
W
:Lưu lượng thể tích của sản phẩm đỉnh và đáy.
2.1.2. Cân bằng vật liệu tính theo khối lượng:
Hỗn hợp đầu vào F ( Aceton – Rượu etylic) được phân tách thành sản phẩm đỉnh P
(axeton), và sản phẩm đáy W (Rượu etylic). Ở đĩa trên cùng có 1 lượng lỏng hồi lưu, ở
đáy tháp có thiết bị đun sôi. Lượng hơi đi ra đỉnh tháp D
o

.
Phương trình cân bằng vật liệu: G
F
= G
P
+ G
w
(1)
Phương trình cân bằng vật liệu cho cấu tử dễ bay hơi (axeton ):
G
F .
a
F
= G
P
. a
P
+ G
w
.a
w
(2)
Từ (1) và (2) ta có hệ phương trình :
Trong đó:
G
W
=G
F
-G
P

=2000-=1216.069 (Kg/h)
G
F
A=G
F
*a
F
=2000*=701.6 (Kg/h)
G
F
B=G
F
-G
F
A =2000-701.6=1298.4 (Kg/h)
G
P
A=G
P
*a
P
=*0.894=660.6 (Kg/h)
G
P
B=G
P
-G
P
A =-660.6=123.331 (Kg/h)
G

w
A=G
w
*a
w
=1216.069 *=0.766 (Kg/h)
G
w
B=G
w
-G
w
A =1216.069 -0.766 =1215.234 (Kg/h)
 Bảng cân bằng vật liệu tính theo lưu lượng khối lượng:
Vị trí tính toán A B Tổng Cộng
a
F
, phần khối lượng 0.6492 1
G
F
, Kg/h 701.6 1298.4 2000
a
P
, phần khối lượng 0.106 1
G
P
, Kg/h 660.6 123.331
a
W
, phần khối lượng 0.99937 1

G
W
, Kg/h 0.766 1215.234 1216.069
2.1.3. Cân bằng vật liệu tính theo lưu lượng mol:
a) Tính cân bằng vật liệu mol theo lưu lượng khối lượng.
Ta có:
Trong đó:
M
F
=M
A
*x
F
+M
B
*(1-x
F
)
=58*0.3+46*(1-0.3)=49.6 (Kg/kmol)
M
P
=M
A
*x
P
+M
B
*(1-x
P
)=58*0.87+46*(1-0.87)= 56.44 (Kg/kmol)

M
W
=M
A
*x
W
+M
B
*(1-x
W
)=58*0.0005+46*(1-0.0005)=46.006 (Kg/kmol)
Lưu lượng phần mol của hỗn hợp đầu :
Lưu lượng phần mol của sản phẩm đỉnh :
Lưu lượng phần mol của sản phẩm đáy :
b) Tính cân bằng vật liệu mol theo phương trình cân bằng vật liệu.
Lưu lượng mol cho từng cấu tử :
N
F
A= N
F
*x
F
=*0.3=12.1(Kmol/h)
N
F
B= N
F
- N
F
*x

F
=-12.1=28.2226(Kmol/h)
N
P
A= N
p
*x
p
=*0.87=12.0843(Kmol/h)
N
P
B= N
p
– N
p
*x
p
=12.0843=0.8057(Kmol/h)
N
W
A= N
w
*x
w
=
N
W
B= N
w
–N

w
*x
w
=
 Bảng cân bằng vật liệu tính theo lưu lượng mol:
Vị trí tính toán A B Tổng Cộng
x
F
, phần mol 0.3 0.7 1
N
F
, Kmol/h 12.1 28.2226
x
P
, phần mol 0.87 0.13 1
N
P
, Kmol/h 12.0843 0.8057
x
W
, phần mol 0.0005 0.9995 1
N
W
, Kmol/h
2.1.4. Cân bằng vật liệu tính theo lưu lượng thể tích ở Tđ:
Ta có : T
đ
=20
o
C

Khối lượng riêng của các cấu tử A và B ở 20
o
C :
( Tra bảng I.2 STQTTB T1/9)
Cấu tử Khối lượng riêng (Kg/m
3
)
A (aceton) 719
B(rượu etylic) 789
- Khối lượng riêng của hỗn hợp đầu :
ρ
F
=ρ
A*
a
F+
ρ
B*
(1- a
F
)=719*+789*(1-) =764.444(Kg/m
3
)
- Khối lượng riêng của sản phẩm đỉnh :
ρ
p
=ρ
A*
a
p+

ρ
B*
(1- a
p
)=719*+789*(1-) =726.42(Kg/m
3
)
- Khối lượng riêng của sản phẩm đáy :
ρ
w
=ρ
A*
a
w+
ρ
B*
(1- a
w
)=719*+789*(1-) =788.956(Kg/m
3
)
- Lưu lượng thể tích của hỗn hợp đầu :
- Lưu lượng thể tích của sản phẩm đỉnh:
- Lưu lượng thể tích của sản phẩm đáy:
 Lưu lượng thể tích tính cho từng cấu tử:
 Tính phần thể tích:
 Bảng cân bằng vật liệu tính theo lưu lượng thể tích ở T
đ
:
Vị trí tính toán A B Tổng cộng

, Kg/h 701.6 1298.4 2000
, m
3
/h
, Phần thể tích 1
, Kg/h 660.6 123.331
, m
3
/h
, Phần thể tích 1
, Kg/h 0.766 1215.234 1216.069
, m
3
/h
, Phần thể tích 1
2.1.5. Cân bằng vật liệu toàn phần theo các đơn vị thời gian:
Lượng hỗn hợp G-khối lượng, Kg
Vị trí hỗn hợp G
F
G
P
G
W
Lượng hỗn hợp,
Kg tính trên
đơn vị thời
gian.
Giây (s) 0.556 0.22 0.3378
Giờ (h) 2000 1216.069
Ngày 48000 18814.344 29185.656

Tháng 564430.32 875569.68
Năm 6867235.56 10652764.44
Lượng hỗn hợp N-Khối lượng mol, Kmol
Vị trí hỗn hợp N
F
N
P
N
W
Lượng hỗn hợp,
Kmol tính trên
Giây (s) 0.0112
Giờ (h)
đơn vị thời
gian.
Ngày 967.9824 309.36 634.3824
Tháng 29039.472 9280.8 19031.472
Năm 353313.576 112916.4 231549.576
Lượng hỗn hợp V-Thể tích, m
3
Vị trí hỗn hợp V
F
V
P
V
W
Lượng hỗn hợp,
m
3
tính trên đơn

vị thời gian.
Giây (s)
Giờ (h)
Ngày 62.7912 25.92 36.9936
Tháng 1883.736 777.6 1109.808
Năm 22918.788 9460.8 13502.664
2.1.6. Cân bằng vật liệu tổng hợp:
Các thông số Nguyên liệu đầu, F Sản phẩm đỉnh, P Sản phẩm đáy, W
G, Kg/h 2000 1216.069
a
x
, phần khối lượng
M
A
58 M
B
46
M, Kg/Kmol 49.6 49.6 46.006
N, Kmol/h
x, phần mol 0.3 0.87 0.0005
ρ
A
, Kg/m
3
719 ρ
B
, Kg/m
3
789
V, m

3
/h
v
x
, phần thể tích
2.2. XÁC ĐỊNH SỐ ĐĨA THỰC TẾ THEO PHƯƠNG PHÁP ĐỒ THỊ:
2.2.1. Vẽ đường cong cân bằng x-y và t-x,y theo thực nghiệm
Từ số liệu bảng IX.2a (Sổ tay QT&TBCNHC-2 trang 145) ta có thành phần cân
bằng lỏng hơi của aceton – rượu etylic được cho theo bảng sau:
x 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
y 0 15.5 26.2 41.7 52.4 60.5 67.4 73.9 80.2 86.5 92.9 100
t 78.3 75.4 73 69 65.9 63.6 61.8 60.4 59.1 58 57 56.1
x, phần mol 0 0.05 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
y, phần mol 0 0.15
5
0.26
2
0.41
7
0.52
4
0.60
5
0.67
4
0.73
9
0.80
2
0.86

5
0.92
9
1
Từ bảng số liệu trên ta vẽ được đồ thị y – x
Nồng độ cấu tử tương ứng ở cân bằng ( Bảng IX2a-STQTTB T2/145)
- Ở hỗn hợp đầu:
X 0.3
Y 0.524
- Ở sản phẩm đỉnh:
x 0.8 0.9 0.87
y 0.865 0.929 0.9098
-Ở sản phẩm đáy:
x 0 0.05 0.0005
y 0 0.155 0.00155
Nhiệt độ sôi hỗn hợp hai cấu tử tương ứng ở cân bằng ( Bảng IX2a-STQTTB T2/145)
- Ở hỗn hợp đầu:
X 0.3
t,
o
C 65.9
- Ở sản phẩm đỉnh:
x 0.8 0.9 0.87
t,
o
C 58 57 57.93
-Ở sản phẩm đáy:
x 0 0.05 0.0005
t,
o

C 78.3 75.4 78.29855
 Bảng tổng hợp:
Vị trí
tính toán
Nồng độ cấu tử tương ứng Lượng hỗn hợp Nhiệt độ sôi của
hỗn hợp (
o
C)
x y
cb
Kg/h Kmol/h
F 0.3 0.524 2000 65.9
P 0.87 0.9098 57.93
W 0.0005 0.00155 1216.069 78.29855
a) Tính chỉ số hồi lưu tối thiểu
b) Tính chỉ số hồi lưu thực tế
c) Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn luyện
d) Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng
Trong đó:
2.2.2. Xác định các giá trị y
lv
(làm việc )
a) Y
lv
của sản phẩm đỉnh
Thay x
p
vào phương trình đoạn luyện ta có:
y
lv

P==0.8700425
b) Y
lv
của sản phẩm đáy
Thay x
w
vào phương trình đoạn chưng ta có:
y
lv
W=
c) Y
lv
của hỗn hợp đầu
Thay x
F
vào một trong hai phương trình đoạn chưng hoặc đoạn luyện ta có:
y
lv
F==0.472325
 Quy đổi từ nồng độ mol của y
lv
qua nồng độ phần khối lượng
 Quy đổi từ nồng độ mol của Y
cb
qua nồng độ phần khối lượng
 Bảng tổng hợp các loại nồng độ
Vị trí
tính toán
Phần mol Phhần khối lượng
x y

lv
y
cb
a
x
a
ylv
a
ycb
P 0.87 0.8700425 0.9098
F 0.3 0.472325 0.524
W 0.0005 0.00155
2.2.3.Xác định số đĩa lý thuyết
- Vẽ đoạn luyện trên đồ thị x-y ( Thế vào phương trình đoạn luyện):
Chọn x=0.87⇒ y=0.87
x= 0.5⇒ y=0.612
- Vẽ đoạn chưng trên đồ thị x-y ( Thế vào phương trình đoạn chưng):
Chọn x=0.0005⇒ y=0.0005
x=0.2⇒ y=0.328
x=0.025⇒ y=0.0407
Đoạn chưng và đoạn luyện cắt nhau tại điểm có tọa độ:
x=0.3
y=0.472325
- Dựa vào đồ thị x-y, đường thẳng đoạn chưng và đoạn luyện đã vẽ ta xác định được số đĩa
lí thuyết theo phương pháp đồ thị là 16
2.2.4. Xác định số đĩa thực tế
 Bảng độ nhớt của các cấu tử theo nhiệt độ sôi
( Bảng I.101-STQTTB T1/91 )
Nhiệt độ sôi,
o

C t
F
=65.9 t
P
=57.93 t
W
=78.29855
A, 0.22115 0.233312 0.20651
B, 0.49896 0.61377 0.468852
a) Tính độ nhớt của hỗn hợp
Công thức tính độ nhớt của hỗn hợp chất lỏng:
lg µ
hh
= x
1
* lg µ
acetone
+ x
2
* lg µ
rượu etylic
( CT I.12 STQTTB T1/84)
Trong đó: µ
1,
µ
2
: là độ nhớt động lực của các cấu tử thành phần
x
1,
x

2
: là nồng ộ mol của các cấu tử trong hỗn hợp
- Dựa vào công thức trên ta tính:
+ Độ nhớt của hỗn hợp tại đĩa trên cùng P:
lg µ
hh
= 0.87* lg(0.233312)+ 0.13* lg(0.61377) =-0.5775
⇒µ
hh
=
+ Độ nhớt của hỗn hợp tại đĩa tiếp liệu F:
lg µ
hh
= 0.3* lg(0.22115)+ 0.7* lg(0.49896) = -0.408
⇒µ
hh
=
+ Độ nhớt của hỗn hợp tại đĩa dưới cùng W:
lg µ
hh
= 0.0005* lg(0.20651) + 0.9995* lg(0.468852)= -0.329
⇒µ
hh
=
 Bảng tổng hợp
Độ nhớt của hỗn hợp,
Đĩa trên cùng, P
Đĩa tiếp liệu, F
Đĩa dưới cùng, W
b) Tính α

Công thức tính α:
-α đĩa trên cùng P:
-α đĩa tiếp liệu F:
-α đĩa dưới cùng W:
c) Tích số độ nhớt và α
Đĩa trên cùng, P
Đĩa tiếp liệu, F
Đĩa dưới cùng, W
d) Hiệu suất trung bình của thiết bị
Dựa vào α*µ ta tra ( Hình IX.11, STQTTB T2/171)-hiệu suất trung bình của thiết bị để
tìm được hiệu suất làm việc:
α*µ η(%)
Đĩa trên cùng, P 64.35
Đĩa tiếp liệu, F 49.43
Đĩa dưới cùng, W 47.23
Hiệu suất làm việc đoạn luyện:
Hiệu suất làm việc đoạn chưng:
- Dựa vào số đĩa lý thuyết xác định từ đồ thị đường cân bằng x-y:
N
LT
đoạn luyện = 8 đĩa
N
LT
đoạn luyện = 8 đĩa
Số đĩa thực tế của đoạn luyện:
Số đĩa thực tế của đoạn chưng:
Vậy thiết bị gồm 32 đĩa. 15 đĩa đoạn luyện và 17đĩa đoạn chưng.
CHƯƠNG 3: TÍNH ĐƯỜNG KÍNH VÀ CHIỀU CAO THÁP
3.1. TÍNH ĐƯỜNG KÍNH THÁP
Đường kính tháp được xác định theo công thức:

Hay
Trong đó:
V
tb
: lượng hơi khí trung bình đi trong tháp (m
3
/h)
tb
: tốc độ hơi (khí) trung bình đi trong tháp (m/s)
g
tb
: lượng hơi (khí) trung bình đi trong tháp (kg/h)
: tốc độ hơi (khí) trung bình đi trong tháp (kg/m
3
.s)
3.1.1. Tính đường kính của đoạn luyện
a) Xác định lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện:
Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện có thể tính gần đúng bằng trung bình
cộng của lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp và lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng
của đoạn luyện:
Trong đó:
g
tbL
: lượng hơi (khí) trung bình đi trong đoạn luyện (kg/h hay Kmol/h)
g
đ
: lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (kg/h hay kmol/h)
g
l
: lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện (kg/h hay kmol/h)

Lượng hơi ra khỏi tháp g
đ
:
g
đ
= G
R
+ G
P
=G
P
*(R + 1)
Trong đó:
G
P
: lượng sản phẩm đỉnh P (kg /h)
G
R
: lượng hồi lưu: G
R
= G
P
.R(kg/h)
Suy ra:
g
đ
= G
P
*(R + 1) =*(+ 1) = 2593.636(kg/h)
b) Lượng hơi đi vào đoạn luyện:

Lượng hơi g
l
, nồng độ y
l
, và lượng lỏng G
l
đối với đĩa thứ nhất của đoạn luyện được
xác định theo hệ phương trình của cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng sau:
Trong đó x
l
, x
p
đổi sang phần khối lượng:
x
l
<= >a
F
=
x
p
<= >a
p
=
r
l
: ẩn nhiệt hóa hơi đi vào đĩa luyện thứ nhất (kcal/mol)
r
đ
: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi ra khỏi đỉnh tháp (kcal/mol)
Với : r

1
= r
A
.y
1
+ (1- y
l
). r
B
r
đ
= r
A
. y
đ
+ (1- y
đ
). r
B
+ r
đ
: Hơi đi ra ở đỉnh tháp ở t
p
= 57.93
o
C nên phải tính ra r
A
, r
B
ở 57.93

o
C
Tra bảng và nội suy theo bảng I.212 STQTTB T1/254 ta có:
t,
o
C 20 60 57.93
r
A
, Kcal/Kg 132 124 124.414
r
B
, Kcal/Kg 218 210 210.414
Vậy r
đ
=124.414* y
đ
+ 210.414*(1-y
đ
)
Trong đó: y
đ
= y
lv
P =0.8700425
 r
đ
=124.414* 0.8700425 + 210.414*(1-0.8700425) = 135.59
+ Tính r
l
: Hỗn hợp đầu vào tháp ở tF= 65.9

o
C nên phải tính ra r
A
, r
B
ở 65.9
o
C
Tra bảng và nội suy theo bảng I.212 STQTTB T1/254 ta có:
t,
o
C 60 100 65.9
r
A
, Kcal/Kg 124 113 122.3775
r
B
, Kcal/Kg 210 194 207.64
Vậy r
l
=122.3775* y
l
+207.64*(1-y
l
)
Thay vào hệ (*) Ta có:
Các thông số Nguyên liệu đầu, F Sản phẩm đỉnh, P Sản phẩm đáy, W
G, Kg/h 2000 1216.069
a
x

, phần khối lượng
M
A
58 M
B
46
M, Kg/Kmol 49.6 49.6 46.006
N, Kmol/h
x, phần mol 0.3 0.87 0.0005
ρ
A
, Kg/m
3
719 ρ
B
, Kg/m
3
789
V, m
3
/h
v
x
, phần thể tích
Giải hệ 3 phương trình:

• Lượng hơi trung bình của đoạn luyên:
• Lượng lỏng trung bình của đoạn luyện:
• Thành phần hơi cân bằng đi trên đoạn luyện:
 Bảng tổng hợp:

4412.3446
0.8700425
b.Tốc độ trung bình của khí (hơi) trong đoạn luyện:
Trong đó: Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha khí (hơi) tính theo
nhiệt độ trung bình (Kg/m
3
)
h: Khoảng cách giữa các đĩa, m
: Hệ số tính đến sức căng bề mặt.
 Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng
Trong đó:
ρ
xtb
: khối lượng riêng trung bình trong pha lỏng (kg/m
3
)
ρ
xtbA
, ρ
xtbB
: khối lượng riêng trung bình trong pha lỏng đối với cấu tử A,B lấy theo
nhiệt độ trung bình (kg/m
3
)
a
tbA
: phần khối lượng trung bình của cấu tử A trong pha lỏng
 Nhiệt độ trung bình của đoạn luyện:
Khối lượng riêng của aceton và rượu etylic ở =
o

C
(Tra bảng và nội suy theo bảng I.2 STQTTB T1/9)
t,
o
C 60 80
Kg/m
3
746 719 743.415
Kg/m
3
754 735 752.181
 Khối lượng riêng của hỗn hợp
 Khối lượng riêng trung bình của pha hơi
Với
Vậy
 Vận tốc khí (hơi) trung bình trong đoạn luyện
 Đường kính đoạn luyện
D giả thuyết = => h= =>D tính toán=
D giả thuyết D tính toán
D giả thuyết = => h= =>D tính toán=
D giả thuyết D tính toán
3.1.2.Tính đường kính của đoạn luyện
a) Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng:
Vì lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đoạn luyệnnên ta có thể
viết:
Lượng hơi đi vào đoạn chưng g’
l
, lượng lỏng G
l
và hàm lượng lỏng x’

l
được xác định
theo hệ phương trình của cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng sau:
Trong đó x’
l
= y
w
tìm theo đường cân bằng ứng với x
w
:
y’
l
= y
cb
w =
r’
l
: ẩn nhiệt hóa hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng (kcal/mol)
r’
l
= r
A
.y’
l
+ (1- y’
l
). r
B
Tính r
A

, r
B
ở t
W
=
o
C (Bảng I.212 STQTTB T1/254)
t,
o
C 60 100
r
A
, Kcal/Kg 124 113
r
B
, Kcal/Kg 210 194
r’
l
= r
A
.y’
l
+ (1- y’
l
). r
B
r
l
: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi ra khỏi đoạn chưng (kcal/mol)
r

l
= r
A
.y
l
+ (1- y
l
). r
B
Từ CT (3’) =>=
Từ CT (1’) => G’
l
=g’
l
+G
w
Vậy từ (1’) (2’) (3’) suy ra:
• Lượng hơi trung bình của đoạn chưng:
• Lượng lỏng trung bình của đoạn luyện:
 Bảng tổng hợp:
b.Tốc độ trung bình của khí (hơi) trong đoạn chưng:
Trong đó: Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha khí (hơi) tính theo
nhiệt độ trung bình (Kg/m
3
)
h: Khoảng cách giữa các đĩa trong đoạn chưng, m
: Hệ số tính đến sức căng bề mặt.
 Nhiệt độ trung bình của đoạn chưng:
o
C

 Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng ở t
tb
=
Tính ρ
xtbA
và ρ
xtbB
ở t
tb
=
o
C
(Bảng I.2 STQTTB T1/9)
t,
o
C 60 80
Kg/m
3
746 719 729.665
Kg/m
3
754 735 742.505
 Khối lượng riêng trung bình của pha hơi
Với
Vậy
 Vận tốc khí (hơi) trung bình trong đoạn chưng
 Đường kính đoạn chưng
D giả thuyết = => h= =>D tính toán=
D giả thuyết D tính toán
D giả thuyết = => h= =>D tính toán=