dung tính toán và thiết kế tháp chưng luyện liên tục loại tháp đệm để phân tách hỗn hợp Axeton – Nước

phÇn I. MỞ ĐẦU
• Giới thiệu chung về dây chuyền sản xuất.
Trong quá trình chế biến một sản phẩm từ sản phẩm thô ban đầuđến khi
nó trở thành một sản phẩm có Ých đựơc ứng dụng trong đời sống thường
ngày thì công nghiệp hoá thực phẩm đóng một vai trò hết sưc quan trọng.Quá
trình sản suất này có liên quan đến nhiều thể loại ,phương pháp hoá học khác
nhau như:lắng , lọc ,hấp thụ, kết tinh …. nhưng đặc biệt trong đó chưng là
một trong những phương pháp được ứng dung nhiều nhất trong nhiều ngành
đặc biệt là trong công nghệ lên men
Chưng là phương pháp dùng để tách các hỗn hợp chất lỏng cũng như các
hỗn hợp khí lỏng thành các cấu tử riêng biệt dùa vào độ bay hơi khác nhau
của các cấu tử trong hỗn hợp (nghĩa là ở cùng một nhiệt độ,áp suất hơi của
các cấu tử khác nhau).Trong trường hợp đơn giản nhất thì chưng và cô đặc
hầu như không khác gì nhau .Tuy nhiên ,giữa chúng có ranh giới căn bản:
trong trường hợp chưng thì dung môi và chất tan đều bay hơi , trường hợp cô
đặc thì chỉ có dung môi bay hơi
Khi chưng ta thu đươc nhiều sản phẩm và thường bao nhiêu cấu tử ta sẽ
được bấy nhiêu sản phẩm .Đối với trường hợp hai cấu tử ta có :
Sản phẩm đỉnh gồm cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần rất Ýt cấu tử
có độ bay hơi bé còn sản phẩm đáy gồm cấu tử có độ bay hơi bé và một phần
rất Ýt cấu tử có độ bay hơi lớn
Trong sản suất ta hay gặp những phương pháp chưng sau:
1. Chưng đơn giản:dùng để tách các hỗn hợp gồm các cấu tử có độ
bay hơi rất khác nhau .Phương pháp này thường dùng để tách sơ
bộ và làm sạch các cấu tử khỏi tạp chất.
2. Chưng bằng hơi nước trực tiếp: dung để tách các hỗn hợp gồm
các chất khó bay hơi , thường được ứng dụng trong trường hợp
chất được tách không tan vào nước
3. Chưng chân không : dùng trong trường hợp cần hạ thấp nhiệt độ
sôi của cấu tử .Ví dô nh trường hợp các cấu tử trong hỗn hợp dễ
bị phân huỷ ở nhiệt độ cao hay trường hợp các cấu tử có nhiệt độ

sôI quá cao
4. Chưng luyện :là phương pháp phổ biến nhất dùng để tách hoàn
toàn hỗn hợp các cấu tử dễ bay hơi có tính chất hoà tan một phần
hoặc hoàn toàn vào nhau.
.Chưng luyện ở áp suất thấp dùng cho các hỗn hợp dễ bị phân
huỷ ở nhiệt độ cao và hỗn hợp có nhiệt độ sôI quá cao
.Chưng luyện ở áp suất cao dùng cho các hỗn hợp không hoá
lỏng ở áp suất thường
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 được chứa trong thùng chứa (1) và được bơm (2) bơm
lên thùng cao vị (3). Mức chất lỏng cao nhất và thấp nhất ở thùng cao vị được
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 được theo dõi bằng
đồng hồ lưu lượng. Tại thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu (4) (dùng hơi nước bão
hoà), hỗn hợp đầu được gia nhiệt tới nhiệt độ sôi, sau khi đạt tới nhiệt độ sôi,
hỗn hợp này được đưa vào đĩa tiếp liệu của tháp chưng luyện loại tháp đệm
(5). Trong tháp, hơi đi từ dưới lên tiếp xúc trực tiếp với lỏng chảy từ trên
xuống, tại đây xảy ra quá trình bốc hơi và ngưng 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 dưới lên, cấu tử có nhiệt độ sôi cao sẽ ngưng 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 được hầu hết là cấu tử dễ bay hơi (Axeton) và một phần rất Ýt cấu tử
khó bay hơi (Nước). Hỗn hợp hơi này được đi vào thiết bị ngưng tụ (6) và tại
đây nó được ngưng tụ hoàn toàn (tác nhân là nước lạnh). Một phần chất lỏng
sau ngưng tụ chưa đạt yêu cầu được đi qua thiết bị phân dòng (7) để hồi lưu
trở về đỉnh tháp, phần còn lại được đưa 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 lưu đi từ trên xuống dưới, gặp hơi có nhiệt độ cao đi từ
dưới 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 ngưng 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 được hỗn
hợp lỏng gồm hầu hết là cấu tử khó bay hơi (Nước) và một phần rất Ýt cấu tử
dễ bay hơi (Axeton), hỗn hợp lỏng này được đưa ra khỏi đáy tháp, qua thiết bị
phân dòng, một phần được đưa ra thùng chứa sản phẩm đáy (11), một phần
được tận dụng đưa vào nồi đun sôi đáy tháp (9) dùng hơi nước bão hoà. Thiết
bị (9) này có tác dụng đun sôi tuần hoàn và bốc hơi hỗn hợp đáy (tạo dòng hơi
đi từ dưới lên trong tháp). Nước ngưng của thiết bị gia nhiệt được tháo qua
thiết bị tháo nước ngưng (12).
Tháp chưng luyện làm việc ở chế độ liên tục, hỗn hợp đầu vào và sản
phẩm được 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 hót phân tử lớn hơn và vượt lực lỳ. Lúc này quá
trình chuyển khối được xác định bằng dòng khuyếch tán phân tử. Tăng vận
tốc lên lực lỳ trở nên cân bằng với lực hót phân tử. Quá trình chuyển khối lúc
này không chỉ được quyết định bằng khuyếch tán phân tử mà cả bằng
khuyếch tán đối lưu. 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 được quyết định bằng khuyếch
tán đối lưu.
Nếu ta tăng vận tốc khí lên đến một giới hạn nào đó thì sẽ xảy ra hiện
tượng 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 thường cho tháp đệm làm việc ở chế độ màng có vận
tốc nhỏ hơn vận tốc đảo pha mét Ýt vì quá trình chuyển khối trong giai đoạn
sủi bọt là mạnh nhất, nhưng 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 tương đối rộng.
Nhược điểm.
+ Khó làm ướt đều đệm.
+ Tháp cao quá thì phân phối chất lỏng không đều.
IV. BẢNG KÊ CÁC KÝ HIỆU THƯỜNG DÙNG TRONG BẢN ĐỒ
ÁN.
- F: Lượng hỗn hợp đầu, kg/h (hoặc kg/s, kmol/h)
- P: Lượng sản phẩm đỉnh, kg/h (hoặc kg/s, kmol/h)
- W: Lượng sản phảm đáy, kg/h (hoặc kg/s, kmol/h)
- Các chỉ sè
F, P, W, A, B
: tương ứng chỉ đại lượng đó thuộc về hỗn hợp đầu, sản
phẩm đỉnh, sản phẩm đáy của Axeton vàNước
- a: nồng độ phần khối lượng, kg axeton/kg hỗn hợp
- x: nồng độ phần mol, kmol axeton/kmol hỗn hợp
- M: Khối lượng mol phân tử, kg/kmol
- µ: độ nhít, Ns/m
2
- ρ: khối lượng riêng, kg/m
3
- Các chỉ sè

A, B, x, y, hh
: tương ứng chỉ đại lượng thuộc về cấu tử Axeton,
Nước, thành phần lỏng, thành phần hơi và hỗn hợp.
- Ngoài ra các ký hiệu cụ thể khác được định nghĩa tại chỗ.
Phần IIi. Tính toán thiết bị chính
I. TÍNH CÂN BẰNG VẬT LIỆU.
I.1. Tính toán cân bằng vật liệu.
I.1.1. Hệ phương trình cân bằng vật liệu.
- Phương trình cân bằng vật liệu chung cho toàn tháp.
F = P + W [II – 144]
[II – 144]
- Đối với cấu tử dễ bay hơi
Fa
F
= Pa
p

+ Wa
w
[II – 144]
[II – 144]
hay Fx =Px +Wx
Lượng sản phẩm đỉnh là:
=
Trong đó:
F: năng suất tính theo hỗn hợp đầu, kg/s hoặc kg/h
a
F
, a
p

, a
w
: lần lượt là nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp đầu, sản phẩm
đỉnh, sản phẩm đáy, phần khối lượng
Đầu bài cho F = 5 T/h=5.10
hay F = +

hay F= +
⇒F=243,29(Kmol/h)

I.1.2. Đổi nồng độ phần khối lượng sang nồng độ phần mol của a
F
, a
p
, a
w
.
Áp dụng công thức
[II – 126]
Trong đó:
a
A,
a
B
: nồng độ phần khối lượng của axeton và Nuóc
M
a,
M
B
: khối lượng mol phân tử của axeton và Nước

Với kg/kmol
M = M
=
18 kg/kmol
Thay số liệu vào ta có:
= =0,064phần mol
= =0,938 phần mol
= =0,003phần mol
Vây ta có lượng sản phẩm đỉnh là:
P= =15,87(Kmol/h)
Lượng sản phẩm đáy là:
W= F− P
⇒ W=243,29 −15,87
⇒ W =227,42 (Kmol/h)
I.1.3. Tính khối lượng 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 lượng phân tử trung bình, kg/kmol
x: nồng độ phần mol của axêtôn
- Khối lượng phân tử trung bình của sản phẩm đỉnh.
M
p
= x
p
.M

A
+ (1 – x
p
)M
B
M
p
= 0,938.58 + (1− 0,938).18
M
p
= 55,52 (Kmol/h)
- Khối lượng phân tử trung bình của hỗn hợp đầu.
M
F
= x
F
.M
A
+ (1 – x
F
)M
B
M = 0,064.58 + (1− 0,064).18
M = 20,56 (kg/kmol)
- Khối lượng phân tử trung bình của sản phẩm đáy.
M
w
= x
w
.M

A
+ (1 – x
w
)M
B
M = 0,003.58 + (1− 0,003 ).18
M = 18,12 (kg/kmol)
I.1.5. Lượng hỗn hợp đầu trên một đơn vị sản phẩm đỉnh:
I.2. Xác định số bậc thay đổi nồng độ.
I.2.1. Xác định R
min
dùa trên đồ thị y – x.
Dựng đường cân bằng theo số liệu đường cân bằng sau: [II – 145]
Bảng 1.
x 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
y 0 60,
3
72 80,
3
82,
7
84,
2
85,
5
86,
9
88,
2
90,

4
94,
3
100
t
o
C 100 77,
9
69,
6
64,
5
62,
6
61,
6
60,
7
59,
8
59 58,
2
57,
5
56,
9
- Trongđó thành phần cân bằng láng (x) , hơi (y) được tinh bằng %mol
- Từ số liệu trong bảng trên ta vẽ đồ thị đường cân bằng lỏng (x) –
hơi (y) và đường chéo góc y=x
- Đường nồng độ làm việc của đoạn luyện có dạng chung : y =A.x+ B

nó đúng với tất cả mọi thiết diện của đoạn luyện .Như ta đã biết
,thoe giả thuyết thì thành phần cấu tử dễ bay hơi trong chất lỏng
ngưng tụ ở thiết bị ngưng tụ đi vào tháp bằng thành phần cấu tử dễ
bay hơi từ đỉnh tháp đi ra Do đó ở đĩa trên cùng thì :y=x và phương
trình làm việc của đĩa trên cùng là: y =Ax+B … Thay các giá trị
Avà Bvào và giải ra ta được:y=x
Điều đó chứng tỏ rằng điểm trên cùng của đường làm việc của
đoạn
luyện ở toạ độ y=x=x phương trình đường làm việc của đoạn
chưng có
dạng chung là: y’=A’x’+ B’, ta có thể coi nồng độ ở đĩa cuối cùng
của đoạn chưng bằng nồng độ đáy x .Thay giá trị của A’,B’ vào
phương trình nồng độ làm việc của đoạn chưng ta có : y’= x
w
⇒Điều này chứng tỏ rằng điểm cuối cùng của đường nồng độ làm việc
của đoạn chưng có toạ độ: y’= x’=x
w
⇒Giao điểm của hai đường này là nghiệm của hệ phương trình
y=Ax+B
y’=A’x+B’
⇒x=x
F

⇒Điều này chứng tỏ giao điểm của hai đường nồng độ làm việc của
đoạn luyện và đoạn chưng nằm trên một đường thẳng song song với
trục tung và có hoành độ x
F
. Tung độ phụ thuộc vào chỉ số hồi lưu R
• Xác định chỉ số hồi lưu nhỏ nhất( R
min

)
_ Như ta đã biết, giao điểm của hai đường làm việc không thể nằm phía trên
đường cân bằng y=f(x) hay phía dưới đường y=x vì khi hai đường này cắt
nhau ở điểm d
2
→ nồng độ làm việc lớn hơn nồng độ cân bằng, về ý nghĩa vật
lý điều này không thể có được. Còn giao điểm của hai đường là điểm d’
2
→
nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi bé hơn trong pha lỏng, điều này
không thể trong chưng cất ⇒ như vậy giao điểm của hai đường làm việc
không thể nằm ngoài đường cân bằng và đường chéo góc. Giới hạn hai điểm
đó là hai điểm d
2
và d’
2

_ứng với giao điểm d
0
ta có tung độ B lớn nhất là B
0
, trong trường hợp này
nồng độ làm việc bằng nồng độ cân bằng, theo lý thuyết thì có thể đạt được
điều đó khi số bậc thay đổi nồng độ vô cùng lớn và chỉ số hồi lưu lớn nhất.
Thật vậy ta có:
- R
min
: lượng hồi lưu tối thiểu được tính theo công thức
Ta có:
⇔

⇒ ⇔
⇒
Mặt khác từ đồ thị ⇒ B
0
= 0,628
⇒
⇒
I.2.2. Tính chỉ số hồi lưu thích hợp.
Đại lượng R
th
( chỉ số hồi lưu thích hợp) có ảnh hưởng rất lớn đến điều
kiện kỹ thuật và kinh tế của quá trình, cho nên vấn đề xác định chỉ số hồi
lưu thích hợp của tháp là rất quan trọng. Chỉ số hồi lưu là một đại lượng ở
trong các phương trình đường làm việc của tháp vì thế muốn xác định chỉ
số hồi lưu thích hợp ta cần phải khảo xác vấn đề đó trên đồ thị y_x
_ Cách xác định chỉ số hồi lưu thích hợp: chọn 6 giá trị B( B<B
0
) khác nhau.
Từ đó tính được R theo công thức :
Với mỗi giá trị của R
x
ta dung được một đường làm việc của tháp và bằng
phương pháp dung các bậc thay đổi nồng độ giữa đường làm việc và đường
cân bằng ta sẽ xác định được số bậc thay đổi lý thuyết N
Các kết quả tính toán
B 0,062 0,55 0,50 0,45 0,40 0,30
R 0,49 0,71 0,88 1,08 1,35 2,13
N 15 9 8 7 6 5
N(R+1) 23,84 15,39 15,04 15,56 14,1 15,65
Lập đồ thị N(R+1)_R từ các thông số ở bảng trên ta xác định được:

R
th
= 1,2
N
lt
=7 (đĩa)
N
c
=2 (đĩa)
N
l
=5 (đĩa)
. ⇒
⇒ B
*
=0,43
I.2.3. Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn luyện.

[II – 148]
[II – 148]
Trong đó:
y: là nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi đi từ dưới 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 lưu.
Thay số liệu vào ta có.
(chọn R
x

=R
th
)
⇒ y=0,55x+0,43
I.2.4. Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng.

(chọn R
x
=R
th
) [II.158] [II.158]
Trong đó:
: lượng hỗn hợp đầu tính cho 1kmol sản phẩm đỉnh.
Thay số liệu vào ta có.
y’=7,5.x-0,0195

II. TÍNH ĐƯỜNG KÍNH THÁP CHƯNG LUYỆN.
Đường kính tháp được xác định theo công thức
, m [II - 181]
[II - 181]
Trong đó:
g
tb
: lượng hơi trung bình đi trong tháp, kg/h.
(ρ
y
.ϖ
y
)
tb

: tốc độ hơi trung bình đi trong tháp, kg/m
2
.s
Vì lượng hơi và lượng lỏng thay đổi theo chiều cao của tháp và khác nhau
trong mỗi đoạn nên ta phải tính lượng hơi trung bình cho từng đoạn.
II.1. Đường kính đoạn luyện.
II.1.1. Xác định lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện.
Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện 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.
kmol/h [II - 181] [II - 181]
Trong đó:
g
tb
: lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện, kmol/h
g
đ
: lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp, kmol/h
g
l
: lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của tháp, kmol/h
• Lượng hơi ra khỏi đỉnh tháp.
g g
đ
= G
R
+ P = P(R
x
+1)[II – 181]

[II – 181]
g
đ
= 15,87(1,2+1)
⇒g
đ
= 34,9 (kmol/h)
• Lượng hơi đi vào đoạn luyện: Lượng hơi g
1
, hàm lượng hơi y
1
và lượng
lỏng G
1
đối với đĩa thứ nhất của đoạn luyện được xác định theo hệ phương
trình.
g
1
= G
1
+ P (1) (1)
g
1
.y
1
= G
1
.x
1
+ P.x

p
(2) [II - 182]
[II - 182]
g
1
.r
1
= g
đ
.r
đ
(3)
Trong đó:
y
1
: hàm lượng hơi đi vào đĩa 1 của đoạn luyện, phần khối lượng.
G
1
: lượng lỏng đối với đĩa thứ nhất của đoạn luyện.
r
1
: Èn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa đầu tiên của đoạn luyện
r
đ
: Èn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi ra khỏi đỉnh tháp.
x
1
= x
F
= 0,064 (phần mol)

⇒ y
F
=0,55.0,064+0,43
⇒ y
F
=0,465
Từ đồ thị y-x-t ứng với y
F
=0,465 ⇒ t
o
F
=82,96
o
C
Bằng phương pháp nội suy theo bảng I.212 trong [I-245] với t
o
F
=82,96
o
C ta
được
∗r
A
= 117,69 (kcal/kg) = 117,69.4,1868.58
⇒ r
A
=28578,2 (kj/kmol)
∗r
B
=556,04 (kcal/kmol) = 556,04.4,1868.18

⇒ r
B
= 41904,51 (kj/kmol)
• Vậy ta có Èn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa đầu tiên của đoạn
luyện là:
r
1
= r
A
y
1
+ (1-y
1
).r
B
[II - 182] [II -
182]
Với r
A
r
B
Èn nhiệt hoá hơi của các cấu tử nguyên chất là axeton và nước ở
nhiệt độ t
o
F
= 82,96
o
C
⇒ r
1

= 28578,2.0,465 + (1- 0,465). 41904,51
⇒ r
1
=35707,78 (kj/kmol)
• Tương tự ta có Èn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp đi ra khỏi đĩa trên cùng của
đoạn luyện là :
r
đ
= r
A
.y
đ
+ (1 – y
đ
).r
B
[II - 182]
[II - 182]
Với r
A
, r
B
: Èn nhiệt hoá hơi của các cấu tử nguyên chất là axeton và nước ở t
0
= t
p
.
y
đ
: hàm lượng hơi đi ra khỏi đỉnh tháp, phần khối lượng.

Ta có:
y
đ
= y
p
= x
p
= 0,938 phần mol
Với y
đ
=0,938 phần mol. Nội suy từ số liệu trong bảng IX.2a,[II-145] ta được
t
o
=t
p
=57,27
o
C
Nội suy theo bảng I.212 trong [I – 254] ta được
∗r
A
=124,55 (kcal/kg ) =124,55.4,1868.58
⇒ r
A
= 30245,02 (kj/kmol)
∗r
B
= 579,34 ( kcal/kg ) =579,34.4,1868.18
⇒ r
B

= 43660,45 (kj/kmol )
⇒ r
đ
=30245,02.0,938 + (1-0,938 ).43660,45
⇒ r
đ
=31076,78 (kj/kmol )
Thay các giá trị đã tính được vào hệ phương trình trên ta được
g
1
= G
1
+ 15,87
g
1
.y
1
= 0,064G
1
+ 15,87.0,938
g
1
. 35707,78 = 34,9. 31076,78
Giải hệ phương trình ta được:
g
1
= 30,37 (kmol/h)
G
1
=14,5 (kmol/h )

y
1
= 0,52 ( phần khối lượng )
• Vậy lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện là:
(kmol/h )
⇒ (kmol/h)
• Lượng lỏng trung bình đi trong đoạn luyện là :

⇒
⇒ G
xtb
= 16,77 ( kmol/h )
II.1.2. Tính khối lượng riêng trung bình
• Khối lượng riêng trung bình đối với pha hơi được tính theo
, kg/m
3
. [II - 183]
[II - 183]
Trong đó:
M
A
M
B
: khối lượng phần mol của cấu tử axeton và nước
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

[II - 183]
[II - 183]
Với : nồng độ làm việc tại 2 đầu mỗi đoạn tháp, phần mol.
= y
p
= 0,938 phần mol
= y
1
= 0,465 phần mol
⇒
⇒ y
tb1
= 0,7 (phần mol )
Với phần mol. Nội suy từ số liệu trong bảng IX.2a [II-145] ta được
t
o,h
tb
=68,37 (
o
C )
 T = 68,37 + 273 = 341,37
0
K.
Vậy khối lượng riêng trung bình của pha hơi đối với đoạn luyện là:
(kg/m
3
)
⇒ ρ
ytb
= 1,64 (kg/m

3
)
• Khối lượng riêng trung bình đối với pha láng
, kg/m
3

[II - 183]
[II - 183]
Trong đó:
: khối lượng riêng trung bình của lỏng, kg/m
3
.
: khối lượng riêng trung bình của cấu tử 1 và 2 của pha lỏng lấy theo
nhiệt
độ trung bình t
o,l
tb
,kg/m
3
.
: phần khối lượng trung bình của cấu tử 1 trong pha láng.
phần khối lượng
t
o.l
tb
: nhiệt độ trung bình của đoạn luyện theo pha láng,
o
C
Ta có:
phần mol.

Với phần mol. Nội suy từ số liệu trong bảng IX.2a, [II-145] ta được
t
0,l
tb
=60,7
o
C
Ứng với t
0
= 60,7
o
C→Nội suy theo bảng I.2 trong [I-9] ta được:
kg/m
3
.
kg/m
3
.
•Vậy khối lượng riêng trung bình của lỏng trong đoạn luyện là:
⇒
⇒ ρ
xtb
=829,56 (kg/m
3
)
II.1.3. Tính tốc độ hơi đi trong tháp
Tốc độ hơi đi trong tháp đệm
ω = (0,8 ÷ 0,9)ω
s
[II – 187]

Với ω
s
là tốc độ sặc, m/s được tính theo công thức
Y = 1,2e
-4X
[II – 187]
Với [II – 187]
[II – 187]
Trong đó:
σ
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 trường, m
2
/s
G
x
, G
y
: lượng lỏng và lượng hơi trung bình, kg/h
:khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha hơi, kg/m

3
µ
x
, µ
n
: độ nhít của pha láng theo nhiệt độ trung bình và độ nhít của nước ở
20
o
C, Ns/m
2
• Tính G
xtb
, G
ytb
:
_Ta có lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện là :
G
ytb
= g
ytb
.M
ytb
Trong đó:
M
ytb
= y
tbl
M
A
+ (1- y

tbl
)M
B

⇒ M
ytb
= 0,7.58 + (1-0,7 ).18
⇒ M
ytb
= 46 (kg/kmol )
⇒ G
ytb
= 32,64.46
⇒ G
ytb
=1501,44 (kg/h)
_Lượng lỏng trung bình đi trong đoạn luyện là :
G
xtb
= 16,77 (kmol/h )
Hay: G
xtb
= 16,77.M
xtb
(kg/h)
Trong đó :
M
xtb
= x
tbl

.M
A
+ (1- x
tbl
).M
B

⇒ M
xtb
= 0,5.58 + (1- 0,5 ).18
⇒ M
xtb
= 38 (kg/kmol )
⇒ G
xtb
= 16,77.38
⇒ G
xtb
=637,26 (kg/h)
• Tính độ nhít.
- Độ nhít của nước ở t = 20
o
C, Tra bảng I.102 trong [I – 94] ta có µ
n
=
1,005.10
-3
Ns/m
2
.

- Độ nhít của pha lỏng ở t = 60,7
o
C. Nội suy theo bảng I.101 trong [I – 91] ta
được.
N.s/m
2
N.s/m
2
•Vậy độ nhít của pha lỏng tính theo nhiệt độ trung bình là
lgµ
hh
= x
tb
.lgµ
A
+ (1 - x
tb
).lgµ
B
[I – 84]
[I – 84]
lgµ
hh
= 0,5.lg(0,22985.10
-3
) + (1 – 0,5).lg(0,4634.10
-3
)
 µ
hh

= µ
x
= 0,32636.10
-3
Ns/m
2
Thay số liệu ta có :
⇒
⇒ X = 0,371
⇒ Y = 1,2.e
-4X

⇒ Y =1,2.e
-4.0,371
⇒ Y = 0,272
Chọn loại đệm vòng Rasiga bằng sứ đổ lộn xộn. Số liệu trong [II – 193]
Bảng 3.
Kích
thước
đệm, mm
Bề mặt riêng
σ
đ
, m
2
/m
3
Thể tích tự
do V
đ

, m
3
/m
3
Số đệm
trong 1m
3
Khối lượng
riêng xốp, ρ
đ
,
kg/m
3
30x30x3,5 165 0,76 25.10
2
570
Từ công thức:
[II – 187]
ω
s
2
= 4,29886
⇒ ω
s
=2,07 (m/s )
Lấy ω = 0,8ω
s
 ω = 0,8.2,07 =1,658 (m/s )
Vậy đường kính của đoạn luyện là:
⇒ D

L
= 0,44 (m )
Quy chuẩn đường kính đoạn luyện là D
L
= 0,5
• Thử lại điều kiện làm việc thực tế.
- Tốc độ hơi thực tế đi trong đoạn luyện là:
m/s
- Tỷ số giữa tốc độ thực tế và tốc độ sặc là:
Vậy chọn đường kính là 0,5 m có thể chấp nhận được.
• Kiểm tra cách chọn đệm.
m
II. 2. Đường kính đoạn chưng.
II.2.1. Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng của tháp :
[II - 182] [II - 182]
Trong đó:
g
’
n
: lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng, kmol/h.
g
’
1
: lượng hơi đi vào đoạn chưng, kmol/h
Vì lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đoạn luyện (g
’
n
=
g
1

) nên ta có thể viết:
[II - 182]
[II - 182]
•Trong đó lượng hơi đi vào đoạn chưng g
’
l
, lượng lỏng G
1
’
và hàm lượng lỏng
x
’
l
được xác định theo hệ phương trình cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt
lượng sau:
G
’
1
= g
’
1
+ W
G
’
1
. x
’
1
= g
’

1
.y
w
+ W.x
w
[II - 182]
[II - 182]
g
’
1
.r
’
1
= g
1
.r
1
Trong đó:
r
’
1
: Èn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng.
x
w
: thành phần cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy.
r
1
: Èn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa trên cùng của đoạn chưng.
Ta có:
W = 227,42 kmol/h

x
w
= 0,003phần mol tương ứng với 0,01 phần khối lượng
y
’
1
= y
w
xác định theo đường cân bằng ứng với x
w
= 0,003 phần mol.
 y
w
= 7,5.0,003 –0,0195
 y
w
= 0,003 (phần mol )
Với y
w
=0,003 (phần mol ). Nội suy từ số liệu trong bảng IX.2a,[II-145] ta
được :
t
h
w
=98,67
o
C
•Vậy ta có Èn nhiệt hoá hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng là :
r
’

1
= r
A
. y
’
1
+ (1- y
’
1
).r
B
[II – 182]
[II – 182]
Với r
a
, r
b
: Èn nhiệt hoá hơi của các cấu tử nguyên chất ở t
0
= t
w
= 98,67
0
C. Nội
suy theo bảng I.212 trong [I – 254] ta được.
kJ/kmol.
⇒ r
A
=27529,1 kj/kmol
kJ/kmol

⇒ r
B
=40720,57 kj/kmol
•Vậy ta có
r’
1
=27529,1.0,003 +(1-0,003).40720,57
⇒ r’
1
=40680,99 kj/kmol
Thay vào hệ phương trình trên ta được:
G
’
1
= g
’
1
+ 277,42
G
’
1
. x
’
1
= g
’
1
.0,003 + 277,42.0,03
g
’

1
.46080,99 = 30,37.35707,78
Giải hệ phương trình trên ta được:
g
’
1
= 23,53 (kmol/h)
G
’
1
= 300,95 (kmol/h)
x
’
1
= 0,003 phần mol
Vậy lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng là:
⇒ g’
ytb
=26,95 (kmol/h)
II.2.2.Tính lượng lỏng trung bình đi trong đoạn chưng của tháp :
Ta có :

Trong đó lượng lỏng đi vào đĩa trên cùng của đoạn chưng chính bằng tổng
lượng lỏng chảy từ đĩa cuối cùng của đoạn luyện và lượng hỗn hơp ban đầu:
⇒ G’
n
= G
1
+ F = 14,5 +243,29 = 257,79 kmol/h
•Vậy ta có lượng lỏng trung bình đi trong đoạn chưng là :

= 279,37 kmol/h
II.2.3. Tính khối lượng riêng trung bình
• Khối lượng riêng trung bình đối với pha hơi được tính theo
, kg/m
3
. [II - 183]
[II - 183]
Trong đó:
M
A
M
B
: khối lượng phần mol của cấu tử Axeton và Nước
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.
[II-183]
[II-183]
Với : nồng độ làm việc tại 2 đầu củađoạn chưng của tháp, phần mol.
y’
1
= y
w
= 0,003 phần mol
y’
n
= y

F
= 0,465 phần mol
⇒
⇒ y’
tb1
= 0,234 (phần mol )