tính toán chọn lựa tháp chưng cất hệ benzene – toluene có năng suất 1500kgh ở nồng độ 10% benzene

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU 3
I. TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT 4
I.1. Lý thuyết về chưng cất 4
I.2. Giới thiệu về nguyên liệu 6
I.3. Sơ đồ quy trình công nghệ 7
II. CÂN BẰNG VẬT CHẤT 10
II.1. Các thông số ban đầu 10
II.2. Xác định suất lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy 10
III. XÁC ĐỊNH SỐ ĐĨA THỰC TẾ 13
III.1. Chỉ số hồi lưu thích hợp 13
III.2. Số đĩa lý thuyết 14
III.3. Số đĩa thực tế 14
IV. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT 16
IV.1. Đường kính tháp (D
t
) 16
IV.2. Chiều cao tháp 21
V. CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG 21
VI. KẾT LUẬN 23
VII. TÀI LIỆU THAM KHẢO 24
TRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM
LỜI NÓI ĐẦU
Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển và song song với nó là yêu cầu ngày càng
cao về độ tinh khiết của các sản phẩm. Vì thế các phương pháp nâng cao độ tinh khiết
luôn luôn được cải tiến và đổi mới để ngày càng hoàn thiện hơn, như: cô đặc, hấp thụ,
chưng cất, trích ly,…Tùy theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có thể lựa chọn
phương pháp phù hợp. Đối với hệ benzene – toluene là hai cấu tử hòa tan vào nhau và có
nhiệt độ sôi khác xa nhau nên ta chọn phương pháp chưng cất để tách các cấu tử trong
hỗn hợp và thu được benzene có độ tinh khiết cao.
Môn học Quá trình và Thiết bị là môn học mang tính tổng hợp trong quá trình học

tập của các kỹ sư hóa trong tương lai. Bài tập lớn của môn học yêu cầu sinh viên giải
quyết nhiệm vụ tính toán thiết bị cụ thể, kết cấu, điều kiện vận hành của một thiết bị
trong sản xuất hóa chất – thực phẩm. Đây là bước đầu tiên để sinh viên vận dụng những
kiến thức đã học vào giải quyết những vấn đề kỹ thuật trong thực tế một cách tổng quát.
Nhiệm vụ của bài tập lớn là tính toán chọn lựa tháp chưng cất hệ benzene –
toluene có năng suất 1500kg/h ở nồng độ 10% benzene, yêu cầu sản phẩm thu được là
benzene có nồng độ tối thiểu 70%.
I.TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT
I.1. Lý thuyết về chưng cất
NHÓM 9 – K1 LỌC HÓA DẦU 2
TRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM
I.1.1. 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 (khi cùng nhiệt độ, áp suất hơi bão hòa 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 thì trong quá trình chưng cất pha mới được tạo
nên bằng sự bốc hơi hoặc ngưng tụ.
Chưng cất và cô dặc khá giống nhau, tuy nhiên sự khác nhau căn bản nhất của hai
quá trình này là trong 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 có bao nhiêu cấu tử thì thu
được bấy nhiêu sản phẩm. Nếu xét hệ đơn giản chỉ có hai cấu tử thì ta sẽ thu được hai sản
phẩm:
- Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt độ sôi nhỏ).
- Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi nhỏ (nhiệt độ sôi lớn).
Đối với hệ benzene – toluene:
- Sản phẩm đỉnh chủ yếu là benzene và một ít toluene.
- Sản phẩm đáy chủ yếu là toluene và một ít benzene.

I.1.2. 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 lý làm việc:
- Chưng một bậc
- Chưng lôi cuốn theo nước
- Chưng cất
NHÓM 9 – K1 LỌC HÓA DẦU 3
TRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM
 Cấp nhiệt ở đáy tháp:
- Cấp nhiệt trực tiếp
- Cấp nhiệt gián tiếp
Vậy đối với hệ benzene – toluene, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục ở áp
suất thường.
I.1.3. Thiết bị chưng cất
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 loại thiết bị là diện tích tiếp xúc pha
phải lớn. Điều này phụ thuộc vào mức độ phân tán của 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 hai 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 được cho tiếp xúc với nhau. Tùy 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.
Ưu điểm và nhược điểm:
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 cần
có của chất lỏng
Trở lực tương đối
thấp
Hiệu suất khá cao
Khá ổn định
Hiệu suất cao
Do có hiệu ứng
thành => hiệu suất
truyền khối thấp
Độ ổn định không
cao, khó vận hành
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
NHÓM 9 – K1 LỌC HÓA DẦU 4
TRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM
Nhược điểm Do có hiệu ứng
thành => khi tăng
năng suất thì hiệu
ứng thành tăng =>
khó tăng năng suất
Thiết bị khá nặng nề
Trong bào này nhóm chọn tháp mâm chóp để chưng cất hệ benzene – toluene.
I.2. Giới thiệu về nguyên liệu
I.2.1. Benzene và toluene
Benzene là một hợp chất mạch vòng, ở dạng lỏng không màu và có mùi thơm nhẹ.
Công thức phân tử là C
6
H
6
. Benzene không phân cực, vì vậy tan tốt trong các dung môi
hữu cơ không phân cực và tan ít trong nước. Trước đây người ta thường sử dụng benzene
làm dung môi. Tuy nhiên sau đó người ta phát hiện ra rằng nồng độ benzene trong không
khí chỉ cần thấp khoảng 1 ppm cũng có khả năng gây ra bệnh bạch cầu, nên ngày nay
benzene được sử dụng hạn chế hơn.
 Các tính chất vật lý của benzene:
- Khối lượng phân tử: 78.11(g/mol)
- Tỷ trọng (20
0
C): 0.879(g/cm
3
)

- Nhiệt độ sôi: 80
0
C
- Nhiệt độ nóng chảy: 5.5
0
C
Toluene là một hợp chất mạch vòng, ở dạng lỏng và có tính thơm, công thức
phân tử tương tự như benzene nhưng có gắn thêm nhóm – CH
3
. Không phân cực, do đó
toluene tan tốt trong benzene. Toluene có tính chất dung môi tương tự như benzene
nhưng độc tính thấp hơn nhiều, nên ngày nay thường được sử dụng thay benzene làm
dung môi trong phòng thí nghiệm và trong công nghiệp.
 Các tính chất vật lý của toluene:
- Khối lượng phân tử: 92.13(g/mol)
- Tỷ trọng (20
0
C): 0.866(g/cm
3
)
- Nhiệt độ sôi: 111
0
C
- Nhiệt độ nóng chảy: -95
0
C
I.2.2. Hỗn hợp benzene – toluene
NHÓM 9 – K1 LỌC HÓA DẦU 5
TRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM
Ta có bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp benzene –

toluene ở 760 mmHg.
X (% phần
mol)
0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
y (% phần
mol)
0 11.8 21.4 38 51.1 61.9 71.2 79 85.4 91 95.9 100
Nhiệt độ (
0
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
I.3. Sơ đồ quy trình công nghệ
I.3.1. Ký hiệu trong quy trình
1. Bồn chứa nguyên liệu
2. Bơm
3. Bồn cao vị
4. Thiết bị đun sôi dòng nhập liệu
5. Lưu lượng kế
6. Nhiệt kế
7. Tháp chưng cất
8. Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh
9. Áp kế
10. Thiết bị đun sôi đáy tháp
11. Bồn chứa sản phẩm đáy
12. Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh
13. Bồn chứa sản phẩm đỉnh
I.3.2. Quy trình
Hỗn hợp benzene – toluene có nồng độ benzene là 10% mol, 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 lồng ống. Sau đó
NHÓM 9 – K1 LỌC HÓA DẦU 6
TRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM
hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất (7) ở đĩa nhập liệu và bắt đầu quá trình chưng cất.
Lưu lượng dòng nhập liệu được kiểm soát qua lưu lượng kế (5).
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 từ trên xuống. Ở đây có sự tiếp xúc và trao
đổi 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 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 toluene sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu
được hỗn hợp có cấu tử benzene chiếm 96% khối lượng. Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ
(8) được ngưng tụ hoàn toàn. Một phần chất lỏng ngưng tụ đi qua thiết bị làm nguội sản
phẩm đỉnh (12), được làm nguội bằng thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng (12) rồi đi qua bồn
chứa sản phẩm đỉnh (14). Phần còn lại của chất lỏng ngưng tụ được hoàn lưu về tháp ở
đĩa trên cùng với tỷ số hoàn lưu thích hợp và được kiểm soát bằng lưu lượng kế. Cuối
cùng ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng hầu hết là cấu tử khó bay hơi (toluene). Hỗn
hợp lỏng ở đáy có nồng độ benzene là 2% khối lượng, còn lại là toluene. 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 vào
bồn chứa sản phẩm đáy (11).
Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là benzene, sản phẩm đáy là
toluene.
NHÓM 9 – K1 LỌC HÓA DẦU 7
TRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM
II. CÂN BẰNG VẬT CHẤT
II.1. Các thông số ban đầu
- Năng suất theo nhập liệu: 1500 (kg/h)
- Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong nhập liệu: 10%

- Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đỉnh: 96%
- Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy: 2%
- Nguyên liệu vào hệ thống ở nhiệt độ sôi.
- Quá trình làm việc trong thiết bị ở áp suất thường.
- Loại thiết bị sử dụng là tháp mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền.
NHÓM 9 – K1 LỌC HÓA DẦU 8
HÌNH 1. Sơ đồ quy trình công nghệ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM
- Khối lượng phân tử của benzene và toluene lần lượt là: M
B
= 78 (g/mol) và M
T
= 92
(g/mol).
 Chọn:
- Nhiệt độ nhập liệu: t
F
= 30
0
C
- Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội: t
D
= 35
0
C
- Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt: t
W
= 35
0
C

 Các ký hiệu:
G
F
, G
D
, G
W
: Lượng nguyên liệu đầu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy.
a
F
, a
D
, a
W
: Phần khối lượng của benzene ở hỗn hợp đầu, đỉnh và đáy.
x
F
, x
D
, x
W
: Phần mol của benzene trong pha lỏng ở hỗn hợp đầu, đỉnh và đáy.
y
F
, y
D
, y
W
: Phần mol của benzene trong pha hơi ở hỗn hợp đầu, đỉnh và đáy.
II.2. Xác định suất lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy

Giả sử đề cho là % theo số mol. Đổi % số mol sang % theo khối lượng để tính
lượng sản phẩm đỉnh và đáy .
Áp dụng công thức:
= = 0,086
= = 0,664
= = 0,267
Phương trình cân bằng vật chất cho toàn tháp:
G
F
= G
D
+ G
W
G
D
+ G
W
= 1500 (1)
Phương trình cân bằng vật chất đối với cấu tử dễ bay hơi hơn (benzen)
G
F .
a
F
= G
D
. a
D
+ G
W .
a

W
G
F .
0.086 = G
D
. 0.664 + G
W .
0,267 (2)
NHÓM 9 – K1 LỌC HÓA DẦU 9
TRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM
Từ (1) và (2) giải ra được:
G
D
= -683,88 kg/h
G
W
= 2183,88 kg/h
Đo đó theo đề bài hẳn 10% benzen là nồng độ theo khối lượng.
Từ đó suy ra: G
D
+ G
W
= 1500
G
D
. 0,7 + G
W .
0,3 = 1500 . 0,1
Giải ra được: G
D

= -750
G
W
= 2250
Kết quả vẫn âm. Do đó, nhóm quyết định chọn số liệu như sau:
- Nồng độ theo khối lượng của benzen trong dòng nhập liệu là 10%
- Nồng độ theo khối lượng của benzen trong sản phẩm đỉnh là 96%
- Nồng độ theo khối lượng của benzen trong sản phẩm đáy là 2%
Áp dụng công thức trên: G
D
+ G
W
= 1500
G
D
. 0,96 + G
W .
0,02 = 1500 . 0,1
Giải ra được:
G
D
= 128 kg/h
G
W
=1372 kg/h
Bảng thành phần cân bằng lỏng (x) – hơi (y) tính theo % mol và nhiệt độ sôi của
hỗn hợp benzene – toluene ở 760 mmHg.
x 0 0,05 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00
y 0 0,118 0,214 0,38 0,511 0,619 0,712 0,79 0,854 0,91 0,959 1,00
t

(
0
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
Dựa vào bảng này ta vẽ được đường cân bằng y
cb
= f(x) và xác định được phần
mol y và nhiệt độ sôi tương ứng.
NHÓM 9 – K1 LỌC HÓA DẦU 10
TRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM
x
F
= = =0,116 (kmol/kmol)
x
p
= = =0,965(kmol/kmol)
x
W
= = =0,0235(kmol/kmol)
Bảng1. Thành phần Benzen – Toluen trong hỗn hợp
Nhiệt độ sôi
(
0
C)
Thành phần của Benzen trong hỗn hợp
% khối lượng Phần mol x Phần mol y
t
F
= 105,6
t

D
=81,01
t
W
= 109,4
a
F
= 0,1
a
D
= 0,96
a
W
= 0,02
x
F
= 0,116
x
D
= 0,965
x
W
= 0,024
y
F
= 0,227
y
D
= 0,986
y

W
= 0,055
NHÓM 9 – K1 LỌC HÓA DẦU 11
Hình 2. Đồ thị đường cân bằng y
cb
= f(x)tại P= 1 atm
TRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM
III. XÁC ĐỊNH SỐ ĐĨA THỰC TẾ
Từ đồ thị hình 1: đồ thị đường cân bằng y
cb
= f(x) biểu diễn x
F
= 0,116, dùng
phương pháp nội suy, ta có y
*
F
= 0,227
Vậy, chỉ số hoàn lưu tối thiểu:
III.1. Chỉ số hồi lưu thích hợp
Ta lấy các giá trị R
x
> R
min
trên đồ thị ta vẽ được các đường làm việc của đoạn
chưng và đoạn luyện với tung độ khác nhau.
Phương trình làm việc của đoạn cất : y=
Ta có: R = R
min
.
(với [1,1; 1,5] là hệ số hồi lưu)

Với mỗi giá trị của cho ta mỗi giá trị của R và từ đó xác định được số đĩa lý
thuyết tương ứng.
+ Với
 Vậy phương trình làm việc của đoạn cất là :
=> N= 14
+ Với
 Vậy phương trình làm việc của đoạn cất là :
=>N= 13
+ Với
 Vậy phương trình làm việc của đoạn cất là :
=>N= 12
,+ Với
 Vậy phương trình làm việc của đoạn cất là :
NHÓM 9 – K1 LỌC HÓA DẦU 12
TRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM
=>N= 11
+ Với
 Vậy phương trình làm việc của đoạn cất là :
=>N= 10
Thiết lập quan hệ R-N(R+1) qua bảng sau
1,1 1,2 1,3 1,4 1,5
R 7,313 7,949 8,644 9,903 9,974
N 14 13 12 11 10
N.(R+1) 116,382 116,337 115,728 119,933 109,74
Từ bảng số liệu, ta xây dựng đồ thị biểu diễn mối quan hệ R – N(R+1)
Dựa vào đồ thị trên ta xác định được R
th
= 8,644.
III.2. Số đĩa lý thuyết
Với R

th
= 8,644, dựa vào đường cân bằng và đường nồng độ làm việc, ta xác định
được số đĩa lý thuyết: N
lt
= 12.
III.3. Số đĩa thực tế
Có nhiều phương pháp xác định số đĩa thực tế của tháp, ngoại trừ các ảnh hưởng
của thiết kế cơ khí tháp thì ta có thể xác định số đĩa thực tế dựa vào hiệu suất trung bình:
N
t
= N
lt
/n
tb
Trong đó: N
t
– số đĩa thực tế, N
lt
– số đĩa lý thuyết, n
tb
– hiệu suất trung bình của
thiết bị.
n
tb
=
Trong đó n
i
- hiệu suất của các bậc thay đổi nồng độ, n - số vị trí tính hiệu suất
Trong trường hợp này ta tính:
n

tb
=
Với , , - lần lượt là hiệu suất ở đĩa trên cùng, hiệu suất ở đĩa nhập liệu và
hiệu suất ở đĩa dưới cùng.
NHÓM 9 – K1 LỌC HÓA DẦU 13
TRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM
 Xác định
Ta có: t
D
(nhiệt độ đỉnh tháp) = 81,01
0
C, x
D
= 0,965 suy ra y
D
= 0,9856 sử dụng
bảng trong sổ tay Quá trình thiết bị và nội suy các giá trị độ nhớt µ
B
= 0,3138×10
-3
N.s/m
2
, µ
T
= 0,3168 ×10
-3
N.s/m
2
.
Độ nhớt của hỗn hợp:

lg µ
hh
= x
D
.lgµ
B
+ (1- x
D
).lgµ
T
=> µ
hh
= 0,3139×10
-3
N.s/m
2
(=0,3139 cP)
Và độ bay hơi tương đối:
 = 2,4824 × 0,3139 = 0,779, tra sổ tay QTTB quyển 2 thì ta có = 0,53
 Xác định :
Tương tự như trên ta có:
t
F
(nhiệt độ đĩa nhập liệu) = 105,6
0
C, x
F
= 0,116 suy ra y
F
= 0,227sử dụng bảng

trong sổ tay Quá trình thiết bị và nội suy các giá trị độ nhớt µ
B
= 0,2631×10
-3
N.s/m
2
, µ
T
=
0,2728 ×10
-3
N.s/m
2
.
Độ nhớt của hỗn hợp:
lg µ
hh
= x
F
.lg µ
B
+ (1- x
F
).lg µ
T
=> µ
hh
= 0,2717×10
-3
N.s/m

2
(=0,2717Cp)
Và độ bay hơi tương đối:
 = 2,2379 × 0,2717 = 0,608, tra sổ tay QTTB quyển 2 thì ta có n
F
= 0,58
 Xác định
Tương tự như trên ta có:
t
w
(nhiệt độ đĩa dưới cùng) = 109,4
0
C, x
w
= 0,0235 suy ra y
D
= 0,0554 sử dụng bảng
trong sổ tay Quá trình thiết bị và nội suy các giá trị độ nhớt = 0,241×10
-3
N.s/m
2
, µ
T
=
0,252×10
-3
N.s/m
2
.
Độ nhớt của hỗn hợp:

lg µ
hh
= x
F
.lg µ
B
+ (1- x
F
).lg µ
T
=> µ
hh
= 0,2517 × 10
-3
N.s/m
2
(= 0,2517 cP)
Và độ bay hơi tương đối:
NHÓM 9 – K1 LỌC HÓA DẦU 14
TRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM
 = 2,437 × 0,2517 = 0,613, tra sổ tay QTTB quyển 2 thì ta có n
W
= 0,57
n
tb
= = 0,56
Suy ra số đĩa thực tế :
N
t
= N

lt
/ n
tb
= 12/0,56 = 21,43 ( đĩa) hay N
t
=
22 đĩa
IV. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT
IV.1. Đường kính tháp (D
t
)
V
tb
: Lượng hơi trung bình đi trong tháp (m
3
/h)
w
tb :
Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp
g
tb
: Lưu lượng (trọng lượng) hơi trung bình đi trong tháp (kg/h).
Vì lượng hơi trung bình đi trong phần chưng và phần cất là khác nhau nên
đường kính đoạn chưng và đoạn cất cũng sẽ khác nhau.
IV.1.1. Đường kính đoạn cất
Có thể tính gần đúng bằng trung bình cộng của lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng
của tháp (g
d
) và lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện (g
1

).
a. Lượng hơi trung bình đi trong phần cất
- Trong đó: g
d
: Lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (kg/h)
g
1
: Lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn cất (kg/h)
NHÓM 9 – K1 LỌC HÓA DẦU 15
TRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM
 Xác định g
d
g
d
= G
L
+ G
D
= G
D
.( R+1) = 128.(8,644 + 1) = 1234,432(kg/h)
 Xác định g
1
- Ta có hệ các phương trình:
g
1
= G
1
+G
D

g
1
= x
1.
G
1
+a
D
G
D (*)
g
1
r
1
=g
d
r
d
- Trong đó:
G
1
: Lượng lỏng đĩa dưới cùng của đoạn cất.
r
1
: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn cất.
r
d
: ẩn nhiệt hóa hơi của hôn hợp hơi đi ra khỏi đỉnh tháp.
 Tính r
1

- t
1
= t
F
= 105,6
0
C. Tra tài liệu tham khảo [4]
- Ẩn nhiệt hóa hơi của benzen: r
B1
= 378,57 kJ/kg
- Ẩn nhiệt hóa hơi của Toluen: r
T1
= 368,19 kJ/kg
- r
1
= r
B1
. + (1 - ). r
T1
= 368,19 + 10,38. kJ/kg
 Tính r
d
:
- t
D
= 81,01
0
C, tra sổ tay ta có:
- Ẩn nhiệt hóa hơi của benzen: r
Bd

= 392,64 kJ/kg
- Ẩn nhiệt hóa hơi của Toluen: r
Td
= 377,86 kJ/kg
Suy ra r
D
= r
Bd
. y
D
+ (1-y
D
). r
Td
= 392,64.0,986 + 0,014.377,86 = 392,433 kJ/kg
- x
1
= a
F
= 0,1 (theo phần khối lượng)
- Giải hệ (*) ta được
G
1
= 1180,92 (kg/h)
= 0,184 (phần khối lượng) => phần mol là y = 0,21
g
1
= 1308,92 (kg/h)
Vậy g
tb

= = 1271,676 (kg/h)
 Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp ở đoạn cất
Tốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp với mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền:
w
gh
=0,05.
Với:
xtb
:khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (kg/m
3
)
ytb
: khối lượng riêng trung bình của pha hơi (kg/m
3
)
NHÓM 9 – K1 LỌC HÓA DẦU 16
TRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM
 Xác định
ytb
ytb
=
với: Nồng độ phần mol trung bình: y
tb
= = = 0,598
Nhiệt độ trung bình đoạn cất: t
tb
= = 93,305
0
C
Suy ra �

ytb
= 2,78 (kg/m
3
)
 Xác định
xtb
Nồng độ phần mol trung bình:x
tb
= = 0,5405
Suy ra
tb
= = 0,499
t
tb
93,305
0
C, tra bảng 4/397 sách bài tập, có:
�
benzen
= 804 (kg/m
3
)
�
toluen
= 798 (kg/m
3
)
Áp dụng công thức = +
Suy ra:
xtb

= 800,98 (kg/m
3
)
Suy ra: w
gh
= 0,05. = 0,849
Để tránh tạo bọt chọn tốc độ hơi trung bình trong tháp:
w
h
= 0,8 w
gh
= 0,8 .0,849 = 0,679
 Xác định ⱷ[ϭ] : hệ số tính đến sức căng bề mặt
Ta có: = +
 Ϭ
hh
= 10,12 .10
-3
(N/m) = 10,12 (dyn/cm)
Với: Ϭ
B
= 20,05. 10
-3
N/m; Ϭ
T
= 20,45.10
-3
N/m ( số liệu được tra từ bảng 24. Sức căng
bề mặt phụ thuộc nhiệt độ, trang 413 sách bài tập )
Vì Ϭ

hh
< 20 dyn/cm nên theo “ sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2, trang
184. Chọn ⱷ[ϭ] = 0,8
Áp dụng công thức
(�
y
.w
y
)
tb
=0,065.ⱷ[ϭ]. = 0,065. 0,8. = 1,344 (kg/m
2
.s)
Trong đó h là khoảng cách mâm (chọn h =0,3m ứng với D = 0,6 ÷ 1,2 m)
Vậy đường kính đoạn cất là :
NHÓM 9 – K1 LỌC HÓA DẦU 17
TRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM
D
cất
= 0,0188 . = = 0,578 m
IV.1.1. Đường kính đoạn chưng
a. Lượng hơi trung bình đi trong phần cất
- Trong đó: g
’
n
: Lượng hơi ra khỏi đoạn chưng (kg/h)
g’
1
: Lượng hơi đi vào đoạn chưng (kg/h)
 Xác định g

’
n
: Đã có g
’
n
= g
1
= 1308,92 (kg/h)
 Xác định g’
1
: Lượng hơi đi vào đoạn chưng g
’
1
, lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của
đoạn chưng G’
1
và hàm lượng lỏng
’
1
được xác định theo hệ phương trình cân bằng
vật liệu và cân bằng nhiệt lượng sau:
G’
1
= g
’
1
+G
w
g
’

1
= G’
1.
y
w
+G
w
.a
w (**)
g
’
1.
r’
1
= g
1
r
1
- Trong đó :r’
1
là ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn
chưng
Tính r’
1
Ẩn nhiệt hóa hơi của benzen : 372,04 (kJ/kg)
Ẩn nhiệt hóa hơi của toluen : 363,31 (kJ/kg)
Lặp lại các bước tương tự ta sẽ tính ra được đường kính phần chưng.
Kết quả tính toán :
Đường kính phần chưng là D
chưng

= 0,591 (m)
Kết luận: Đường kính đoạn chưng và đoạn cất là gần bằng nhau. Có thể thấy trong một
tháp chưng cất, thực tế đường kính đoạn chưng và đoạn cất không chênh lệch nhau quá
(thường không chênh quá 0.1m) nên chọn đường kính tháp là 0,6 m.
IV.2. Chiều cao tháp
Chiều cao tháp được xác định bằng phương pháp đường cong động học:
H = N
t
.(H
d
+ ) + (0,8 ÷ 1), m
NHÓM 9 – K1 LỌC HÓA DẦU 18
TRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM
Trong đó : H - Chiều cao tháp
N
t
- Số đĩa thực tế
H
d
- Khoảng cách giữa các đĩa
k = 0,8÷1 : Khoảng cách cho phép ở đỉnh và đáy thiết bị
Theo bảng IX4a [II-169] chọn H
d
= 0,45 (m)
: Chiều dày của đĩa. Chọn
Vậy chiều cao tháp:
H= 22.(0,45+0,005)+0,8 = 10,81 (m)
V. CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG
V.1. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu đến nhiệt độ
sôi

Q
F
= C
F
. G
F
. (t
F
- t
vào
)
Chọn nhiệt độ vào thiết bị gia nhiệt là t
vào
=30
0
C
Ta có t
F
= 105,6
0
C
Nhiệt độ trung bình: t = (t
F
+ t
vào
)/2 = 67,8
0
C
Tra sổ tay và nội suy ta có:
Nhiệt dung riêng của Benzen : 1957,3 (J/kg.độ)

Nhiệt dung riêng của Toluen: 1920,8 (J/kg.độ)
Ta có C
F
= a
F
.C
B
+(1 – a
F
). C
T
= 0.1. 1957,3 + 0,9. 1920,8 = 1924,45 (J/kg.độ)
Do đó Q
F
= 1924,45. 1500. (105,6 – 30) = 218232,630 (kJ/h)
V.2. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đáy từ 109,4
0
C
xuống 35
0
C
Q
w
= G
w .
C
w
. (t
w
– t

ra
)
Nhiệt độ trung bình t = (t
w
+ t
ra
)/2 = 72,2
0
C
Tra sổ tay và nội suy ta có:
Nhiệt dung riêng của Benzen : 1983 (J/kg.độ)
Nhiệt dung riêng của Toluen: 1952 (J/kg.độ)
Ta có : C
w
= a
w
.C
B
+(1 – a
w
). C
T
NHÓM 9 – K1 LỌC HÓA DẦU 19
TRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM
= 0,02. 1983 + 0.98. 1952 = 1952,62 ( J/h)
Q
w
= 1372. 1952,62. (109,4 – 35) = 199317,201 (kJ/h)
V.3. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh từ 81,01
0

C
xuống 35
0
C
Q
D
= G
D
.C
D
. (t
D
– t
Dra
)
Nhiệt độ trung bình t = (t
D
+t
Dra
)/2 = 58,01
0
C
Tra sổ tay và nội suy ta có:
Nhiệt dung riêng của Benzen : 1920 (J/kg.độ)
Nhiệt dung riêng của Toluen: 1890 (J/kg.độ)
Ta có: C
D
= a
D
.C

B
+(1 – a
D
). C
T
= 0,96. 1920 + 0,04. 1890 = 1918,8 ( J/h)
Q
D
= 128. 1918,8. (81.01 – 35) = 11300,35 (kJ/h)
V.4. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ
Q
nt
= (R+1). G
D
.r
D
Với: r
D
= a
D
.r
B
+ (1- a
D
).r
T
t
D
= 81.01
0

C, ta có r
B
= 392,4.10
3
J/kg; r
T
= 377,8.10
3
J/kg
 r
D
= a
D
.r
B
+ (1- a
D
).r
T
= 0,96.392,4.10
3
+ 0.04.377,8.10
3
= 391,816.10
3
J/kg
 Q
nt
= (8.644+1). 128.391,816.10
3

= 483670,209 (kJ/h)
V.5. Nhiệt lượng cung cấp cho đáy tháp
Từ cân bằng nhiệt lượng ta có:
Q
T
=Q
nt
+Q
W
+Q
D
– Q
F
=1,05.(483670,209+199317,201+ 11300,35 - 218232,630) =
499857,89 (kJ/h)
Trong đó hao 1,05 là hao hụt tính 5%
NHÓM 9 – K1 LỌC HÓA DẦU 20
TRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM
VI. KẾT LUẬN
Sau một thời gian nghiên cứu, nhóm em đã tìm hiểu và học tập được các vấn đề:
- Tính toán thiết kế được tháp chưng cất benzene – toluene tương đối hoàn chỉnh
khi biết trước năng suất, nồng độ nhập liệu, nồng độ và độ thu hồi sản phẩm
đỉnh.
- Tính toán tương đối chi tiết quá trình làm việc của thiết bị và khả năng chịu bền
của thiết bị về tính ăn mòn cơ học và hóa học, cũng như điều kiện làm việc của
thiết bị.
- Thiết bị có ưu điểm là năng suất cao, hoạt động ổn định.
NHÓM 9 – K1 LỌC HÓA DẦU 21
TRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM
- Tuy nhiên khi vận hành, ta cần chú ý về độ chính xác cao, các vấn đề an toàn lao

động để tránh rủi ro có thể xảy ra, gây thiệt hại về người và của.
Trong phạm vi khuôn khổ môn học và thời gian hạn chế, đồng thời đây là lần đầu
tiên nhóm em làm bài tập lớn môn Quá trình thiết bị nên không tránh khỏi những sai
sót. Nhóm em rất mong nhận được sự đánh giá cũng như đóng góp ý kiến của thầy
và các bạn.
Em xin chân thành cảm ơn!
VII. TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Võ Văn Bang, Vũ Bá Minh (2004), “Quá trình và Thiết bị trong công nghệ hóa
học Tập 3, Truyền khối”, Nhà xuất bản đại học quốc gia TP. Hồ Chí Minh.
2. Phạm Văn Bôn, Vũ Bá Minh, Hoàng Minh Nam “ Quá tình và Thiết bị công nghệ
hóa học tập 10, Ví dụ và bài tập”, Nhà xuất bản đại học quốc gia TP.Hồ Chí Minh,
Trang 394-467.
3. Tập thể tác giả (1999), “Sổ tay quá trình và Thiết bị công nghệ hóa chất tập 1”,
Nhà xuất bản khoa học kĩ thuật Hà Nội.
NHÓM 9 – K1 LỌC HÓA DẦU 22
TRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM
4. Tập thể tác giả (1999), “Sổ tay quá trình và Thiết bị công nghệ hóa chất tập 2”,
Nhà xuất bản khoa học kĩ thuật Hà Nội.
5. Vũ Tiến Dũng, Phan Đình Tuấn (2010), “Đồ án môn học quá trình và Thiết bị”,
Trường đại học Bách khoa TP. Hồ Chí Minh.
NHÓM 9 – K1 LỌC HÓA DẦU 23