Thiết kế hệ thống chưng luyện liên tục axeton – nước

Năng suất theo hỗn hợp đầu G
F
: 6000 kg/h
Nồng độ hỗn hợp đầu vào (phần khối lượng) a
F
: 25%
Nồng độ sản phẩm đáy (phần khối lượng) a
W
: 5%
Nồng độ sản phẩm đỉnh (phần khối lượng) a
P
: 95%
Nhiệt độ hỗn hợp đầu : 20°C
*Tính toán thiết kế cho tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền, làm việc ở áp suất
thường.
*Các kí hiệu:
- G
F
: lưu lượng khối lượng dòng nguyên liệu (kg/h)
- G
p
: lưu lượng khối lượng dòng sản phẩm đỉnh (kg/h)
- G
W
: lưu lượng khối lượng dòng sản phẩm đáy (kg/h)
- a
F
: phần khối lượng cấu tử nhẹ trong dòng nguyên liệu (W
t
%)
- a

P
: phần khối lượng cấu tử nhẹ trong dòng sản phẩm đỉnh (W
t
%)
- a
W
: phần khối lượng cấu tử nhẹ trong dòng sản phẩm đáy ( W
t
%)
- F : lưu lượng mol dòng nguyên liệu (kmol/h)
- P : lưu lượng mol dòng sản phẩm đỉnh (kmol/h)
- W : lưu lượng mol dòng sản phẩm đáy (kmol/h)
- x
F
: phần mol cấu tử nhẹ trong pha lỏng dòng nguyên liệu (kmol/kmol)
- x
p
: phần mol cấu tử nhẹ trong pha lỏng dòng sản phẩm đỉnh (kmol/kmol)
- x
W
: phần mol cấu tử nhẹ trong pha lỏng dòng sản phẩm đáy (kmol/kmol)
- y
F
: phần mol cấu tử nhẹ trong pha hơi dòng nguyên liệu (kmol/kmol).
* Quy ước kí hiệu: A _ cấu tử Aceton.
B _ cấu tử Nước.
1
CHƯƠNG I. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH
I. Tính cân bằng vật liệu.
Ta có: M

A
= 58, M
B
= 18
- Tính nồng độ phần mol x
K
theo phần khối lượng:
B
K
A
K
A
K
K
M
a1
M
a
M
a
x
−
+
=
(k là F,P,W)
Nồng độ phần mol của aceton trong hỗn hợp đầu:
0,09375
18
0,251
58

0,25
58
0,25
M
a1
M
a
M
a
x
B
F
A
F
A
F
F
=
−
+
=
−
+
=
(kmol/kmol) = 9,375 (%mol).
Nồng độ phần mol của aceton trong sản phẩm đỉnh:
0,855
18
0,951
58

0,95
58
0,95
M
a1
M
a
M
a
x
B
P
A
P
A
P
P
=
−
+
=
−
+
=
(kmol/kmol) = 85,50 (%mol)
Nồng độ phần mol của acetontrong sản phẩm đáy :
0,01607
18
0,051
58

0,05
58
0,05
M
a1
M
a
M
a
x
B
W
A
W
A
W
W
=
−
+
=
−
+
=
(kmol/kmol)= 1,607 (%mol)
- Tính phân tử lượng trung bình của các hỗn hợp M
F,
M
P,
M

W
theo công
thức:
M
k
= M
A
x
k
+ M
B
(1-x
k
).
Trong hỗn hợp đầu:
M
F
= M
A
x
F
+ M
B
(1-x
F
) = 58.0,09375 + 18.(1 - 0,09375) = 21,75 (kg/kmol).
Trong sản phẩm đỉnh:
M
P
= M

A
x
P
+ M
B
(1-x
P
) = 58.0,855 + 18.(1 - 0,855) = 52,20 (kg/kmol).
Trong sản phẩm đáy:
M
W
= M
A
x
W
+ M
B
(1-x
W
) = 58.0,01607 + 18.(1 - 0,01607) = 18,64 (kg/kmol).
- Tính lưu lượng mol F:
2
275,862
21,75
6000
M
G
F
F
F

===
(kmol/h).
- Phương trình cân bằng vật liệu của toàn tháp:
F = P

+ W
Đối với cấu tử dễ bay hơi:
F.x
F
= P.x
P
+ Wx
W
Từ hai công thức trên ta có thể suy ra:
FPWFWP
xx
W
xx
P
xx
F
−
+
−
=
−
⇒
54,25
0,016070,855
0,016070,09375

.6000
xx
xx
F.P
WP
WF
=
−
−
=
−
−
=
(kmol/h)
W= F – P = 275,862 – 25,54 = 250,32 (kmol/h)
Bảng cân bằng vật liệu của tháp chưng cất:
Cấu tử
nhẹ
aceton
Cấu tử
nặng
nước
Tổng
Nguyên
liệu F
Lưu lượng khối lượng G
F
(kg/h) 1500 4500 6000
% khối lượng a
F

25 75 100
Lưu lượng mol F(kmol/h) 25,86 250 275.86
% mol x
F
9,375 90,63 100
Sản
phẩm
đỉnh P
Lưu lượng khối lượng G
P
(kg/h) 1267,3 66,7 1334
% khối lượng a
p
95 5 100
Lưu lượng mol P (kmol/h) 24,31 4,12 25,55
% mol x
P
85,50 14,50 100
Sản
phẩm
đáy W
Lưu lượng khối lượng G
W
(kg/h) 233,3 4432,7 4666
% khối lượng a
W
5 95 100
Lưu lượng mol W (kmol/h) 4,02 246,30 250,32
% mol x
W

1,607 98,393 100
1. Tính thành phần mol cân bằng của các cấu tử dựa vào dữ liệu
cân bằng pha.
Dựa vào số liệu cân bằng pha của hỗn hợp cần chưng cất ở áp suất thường cho
trong sổ tay QTTB-T2-145 thiết lập đồ thị phụ thuộc giữa các đại lượng x-y, t-x-
y, từ đó tìm ra được phần mol các cấu tử trong pha hơi nằm cân bằng với pha
lỏng ứng với nhiệt độ sôi của từng dung F, P, W.
x(%) 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
3
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)
10
0
77,
9
69,
6
64,
5
62,
2
61,
6
60,
7
59,
8
59,
0
58,
2
57,
5
56,9
Từ bảng số liệu trên ta vẽ đường cân bằng trên đồ thị x-y và vẽ đồ thị x-y-t.
Gọi y
*
F

, y
*
P
, y
*
W
là nồng độ phần mol của pha hơi cân bằng với pha lỏng trong
hỗn hợp đầu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy.
t
F
, t
P
, t
W
: nhiệt độ sôi của hỗn hợp đầu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy.
2. Tính thành phần mol của pha hơi cân bằng với pha lỏng :
Nội suy từ đồ thị ta có:
Hỗn hợp
x
(%mol)
y*
(%mol)
t
s
F 9.37 70,53 70,65
P 85,5 92,55 57,82
W 1,607 19,38 92,90
3. Tính số đĩa lý thuyết.
Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng và đoạn luyện:
Để đơn giản ta thừa nhận những giả thiết sau:

• Dòng mol pha hơi đi từ dưới lên không đổi trong toàn bộ chiều cao của
tháp (G’
y
= G
y
), dòng mol pha lỏng đi từ trên xuống là không đổi trong
đoạn luyện và đoạn chưng (G
x
= const và G’
x
= G
x
+ F = const).
• Hỗn hợp lỏng đầu đi vào ở nhiệt độ sôi.
• Chất lỏng ngưng trong thiết bị ngưng tụ có thành phần bằng thành phần
pha hơi ra khỏi đỉnh tháp (y
P
= x
P
)
• Hơi bốc lên từ đáy tháp có nồng độ bằng nồng độ sản phẩm đáy (y
W
=
x
W
)
• Đun sôi đáy tháp bằng hơi đốt gián tiếp.
- Đoạn luyện:
Phương trình cân bằng vật liệu tại vị trí bất kì của đoạn luyện:

PGG
xy
+=
Với G
y
: lưu lượng pha hơi đi từ dưới lên (kmol/h).
4
G
x
: lưu lượng pha lỏng hồi lưu trở lại tháp (kmol/h).
P: lưu lượng sản phẩm đỉnh (kmol/h).
Phương trình cân bằng vật liệu viết cho cấu tử dễ bay hơi:

PXy
P.x.xG.yG +=
⇒
Pn
x
x
.x
PG
P
.x
PG
G
y
+
+
+
=

x
⇒
1R
x
.x
1R
R
y
x
P
x
x
+
+
+
=
Với
P
G
R
x
x
=
: chỉ số hồi lưu của đoạn luyện.
Do đó phương trình đường nồng độ làm việc có dạng:
BAxy +=
Với
1R
R
A

x
x
+
=
,
1R
x
B
x
P
+
=
và qua điểm y = x = x
P
Phương trình
BAxy
+=
là phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn luyện.
Nó thể hiện mối quan hệ của nồng độ pha lỏng ở tiết diện bất kì trên đoạn luyện
và nồng độ của pha hơi ở cùng tiết diện phụ thuộc vào chỉ số hồi lưu R và nồng
độ sản phẩm đỉnh
- Đoạn chưng:
Phương trình cân bằng vật liệu tại vị trí bất kì của đoạn chưng:
WGG'
yx
+=
Với G’
x
: lượng lỏng trong đoạn chưng từ trên xuống (kmol/h).
W: lưu lượng sản phẩm đáy (kmol/h).

Phương trình cân bằng vật liệu viết cho cấu tử dễ bay hơi:
Wy
WxyGxG'
x
+=
⇒
W
xx
x
x
1R
1f
x
1R
fR
y
+
−
−
+
+
=
5
Với
P
F
=f
54,25
86,275
=

= 10,8
F: lưu lượng hỗn hợp đầu (kmol/h).
Do đó phương trình đường nồng độ làm việc có dạng:
B'xA'y +=
Với
1R
fR
A'
x
x
+
+
=
,
1R
1f
B'
x
+
−
−=
và qua điểm y = x = x
w.
Xác định số đĩa lý thuyết
Đường làm việc đoạn luyện cắt trục Oy trên đồ thị cân bằng pha x-y tại B
Điểm B phụ thuộc vào giá trị chỉ số hồi lưu làm việc R
x
.
R
x

được chọn qua tỉ số hồi lưu tối thiểu theo công thức
R
x
= b.R
xmin
b = 1.2 ÷ 2.5
0,245
0,09370,7053
0,70530,8550
xy
yx
R
F
F
*
F
*
P
xmin
=
−
−
=
−
−
=
Với
- x
P
: nồng độ phần mol của aceton ở sản phẩm đỉnh.

- x
F
: nồng độ phần mol của aceton ở hỗn hợp đầu.
- y
*
F
: nồng độ phần mol pha hơi cân bằng pha lỏng ở hỗn hợp đầu.
Với mỗi giá trị R
x
→ điểm B→đường làm việc đoạn luyện → đường làm việc
đoạn chưng → Vẽ số bậc thay đổi nồng độ → Xác định N
lt
.
4. Chọn chỉ số hồi lưu thích hợp.
Vấn đề chọn chỉ số hồi lưu thích hợp rất quan trọng vì khi chỉ số hồi lưu bé thì
số bậc của tháp lớn nhưng tiêu tốn hơi đốt ít, ngược lại khi chỉ số hồi lưu lớn thì
số bậc của tháp ít hơn nhưng tiêu tốn hơi đốt lại rất lớn.
Chỉ số hồi lưu càng lớn thì lượng nhiệt tiêu thụ ở đáy tháp càng nhiều, vì phải
làm bay hơi lượng hồi lưu này. Mặt khác số đĩa lý thuyết của tháp sẽ giảm cùng
với sự tăng của chỉ số hồi lưu. Nếu giảm chỉ số hồi lưu sẽ làm tăng chi phí chế
tạo tháp mặc dù có giảm chi phí làm việc. Vì vậy cần tiếp cận giá trị thích hợp
của chỉ số hồi lưu. Bằng phương pháp đồ thị dựa vào quan hệ giữa chỉ số hồi lưu
và số đĩa lý thuyết để xác định chỉ số hồi lưu thích hợp theo mối quan hệ N
lt
.
(R
x
+1)= f(R). Đồ thị quan hệ N
lt
.(R

x
+1)= f(R) chỉ ra vùng làm việc thích hợp, từ
đó có thể tính được quan hệ thích hợp giữa N
lt
và R.
6
Để xác định chính xác giá trị thích hợp của chỉ số hồi lưu R ta dùng quan
hệ N
lt
.(R
x
+1)= f(R). Giá trị cực tiểu của đồ thị cho ta chỉ số hồi lưu thích hợp, vì
ở đó thiết bị có kích thước bé nhất nhưng vẫn đảm bảo được quá trình làm việc
tốt nhất. Điều này có thể được giải thích: sự phụ thuộc của chỉ số hồi lưu vào
kích thước của tháp qua thể tích làm việc: V= f.H.
Trong đó f: tiết diện của tháp (m
2
).
H: chiều cao của tháp (m).
Mặt khác tiết diện tỷ lệ thuận với lượng hơi đi trong tháp D=(R
x
+1).P. Do
đó trong điều kiện làm việc nhất định P=const, thì f ~ D ~ R, nên V ~ N
lt
.(R
x
+1).
Trên cơ sở đó xây dựng quan hệ N
lt
.(R

x
+1)= f(R) từ đó xác định chỉ số hồi lưu
thích hợp.
Xác định chỉ số hồi lưu theo điều kiện tháp nhỏ nhất
V ~ N
lt
.(R
x
+1).
b 1,3 1,5 1,7 1,9 2,1 2,3 2,5
R
x
0,32 0,37 0,42 0,47 0,51 0,56 0,61
B 64,77 62,41 60,21 58,16 56,62 54,81 53,11
N
lt
8 7,5 7 6,7 6,2 5,4 5,3
N
lt
(R
x
+1) 10,56 10,23 9,94 9,85 9,36 8,42 8,53
Theo bảng kết quả ta chọn chỉ số hồi lưu thích hợp: R
x
= 0,57
Số đĩa lý thuyết: N
lt
= 5
5. Phương trình đường làm việc
- Đoạn luyện

1R
x
x
1R
R
y
x
P
x
x
+
+
+
=
 y = 0,363x +0,545
- Đoạn chưng
W
xx
x
x
1R
1f
x
1R
fR
y
+
−
−
+

+
=
 y = 7,242x – 0,100
II. Đường kính tháp
7
1. Xác định lượng khí (hơi) đi trong tháp
a. Đoạn luyện
Có thể xem gần đúng bằng trung bình cộng lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của
tháp g
đ
và lượng hơi đi vào dưới cùng g
1
của đoạn luyện được tính theo công thức
sau:

2
gg
g
1đ
tb
+
=
(IX.91/Sổ tay QTTB II/t.181)
- Với
g
1
: lượng hơi đi vào đĩa đầu tiên của đoạn luyện (kg/h).
g
đ
: lượng hơi ra khỏi tháp ở đĩa trên cùng (kg/h).

g
đ
= G
R
+ G
P
= G
P
.(R
x
+1) (IX .92/Sổ tay QTTB II/t.181)
Với
G
R
: lượng lỏng hồi lưu (kg/h).
G
P
: lượng sản phẩm đỉnh (kg/h), G
P
= 1334 (kg/h).
R
x
: chỉ số hồi lưu, R
x
= 0,57
g
đ
= 1334.(0,57+1) = 2094,38 (kg/h)
Áp dụng phương trình cân bằng vật liệu, nhiệt lượng cho đĩa thứ nhất của đoạn
luyện:

g
1
= G
1
+ G
P
(IX.92/Sổ tay QTTB II/t.182)
g
1
y
1
= G
1
x
1
+ G
P
x
P
(IX.94/Sổ tay QTTB II/t.182)
g
1
r
1
= g
đ
r
đ
(IX.95/Sổ tay QTTB II/t.182)
- Với :

y
1
: nồng độ của aceton trong pha hơi của đĩa thứ nhất đoạn luyện
x
1
: hàm lượng lỏng ở đĩa thứ nhất đoạn luyện
x
1
= x
F
= 0,25 (kg/kg)
• r
1
: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất của đoạn luyện (kJ/kg).
r
1
= r
A
y
1
+r
B
(1 - y
1
)
r
A
, r
B
: ẩn nhiệt hóa hơi của aceton và nước nguyên chất ở nhiệt độ 70,65°C

Tra bảng I.212/Sổ tay QTTB I/t.254 và nội suy ta có:
r
A
70,65
= 121,07 (kcal/kg) = 506,80 (kJ/kg)
r
B
70,65
= 568,35 (kcal/kg) = 2379,11 (kJ/kg)
 r
1
= 506,80.y
1
+ 2379,11.(1 - y
1
) (kJ/kg)
• r
đ
: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi ra khỏi đỉnh tháp (kJ/kg)
r
đ
= r
a
y
đ
+ r
b
(1 - y
đ
)

r
a
, r
b
: ẩn nhiệt hóa hơi của aceton và nước nguyên chất ở nhiệt độ 57,82°C
y
đ
= a
P
= 0,95 kg/kg
Tra bảng I.212/Sổ tay QTTB I/t.254 và nội suy ta có:
8
r
a
57,82
= 116,28 (kcal/kg) = 486,75 (kJ/kg)
r
b
57,82
= 542,94 (kcal/kg) = 2272,75 (kJ/kg)
 r
đ
= 486,75.0,95 + 2272,75.(1 – 0,95) = 573,05(kJ/kg)
Ta có hệ phương trình :








−+=
==
+=
+=
)y(1.2379,11y.506,80r
6,120646705,573.38,2094.rg
0,95.13340,25.G.yg
1334Gg
111
11
111
11
=>







=+
=
=−
+=
11,2379y31,1872r
6,1206467.rg
8,933)25,0.(yg
1334Gg
11

11
11
11
=>







=
=
=
==
(kg/h) 212,2 G
(kg/h) 1546,2 g
(kJ/kg) 780,28 r
kmol/kmol)(645,0(kg/kg) 0,854 y
1
1
1
1
Suy ra lưu lượng hơi trung bình:
(kg/h) 1820,29
2
2094,38 1546,2
2
gg
g

d1
tb
=
+
=
+
=
b. Đoạn chưng
Coi gần đúng lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đĩa đầu
tiên của đoạn luyện
==
1
'
gg
n
1546,2 kg/h
Lượng hơi đi vào đoạn chưng
'
1
g
, lượng lỏng
'
1
G
và hàm lượng lỏng
'
1
x

được

xác định theo phương trình cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng sau:





=
+=
+=
11
1
,,
1
,
1
1
,,
1
,
1
,
1
rgrG
xGyGxG
GgG
www
w
Trong đó y
1
’ = y

w
– xác định theo đường cân bằng ứng với x
w
Ta có x
w
= 0,05 kg/kg
y
w
= 0,1938 kmol/kmol => y
1
’ = 0,4365 kg/kg
9
• r
1
’: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng
(kJ/kg).
r
l
’ = r
a
’y
l
’ + r
b
’.(1 – y
l
’)
r
a
’

, r
b
’: ẩn nhiệt hóa hơi của aceton và nước nguyên chất ở nhiệt độ 92,90°C
Tra bảng I.212/Sổ tay QTTB I/t.254 và nội suy ta có:
r
a
’
92,90
= 114,95 (kcal/kg) = 481,18 (kJ/kg)
r
b
’
92,90
= 546,10 (kcal/kg) = 2285,97 (kJ/kg)
 r
l
’ = 481,18.0,4365 + 2285,97.(1 – 0,4365) = 1498,179 (kJ/kg)
Như vậy ta có:
(kg/kg)107,0
29,5471
05,0.46664365,0.29,805
G
xGyg
x
(kg/h)29,5471466629,805GgG
(kg/h)29,805
179,1498
28,780.2,1546
r

rg
g
,
1
,
1
,
1
,
1
,
1
,
1
,
1
11
,
1
=
+
=
+
=⇒
=+=+=⇒
===
wW
W
Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng là:
2

2,154629,805
2
gg
g
''
1
'
+
=
+
=
n
tb
= 1175,745 ( kg/h )
2. Khối lượng riêng trung bình
a. Đoạn luyện
- Khối lượng riêng trung bình đối với pha hơi ở đoạn luyện
[ ]
)(kg/m
t.22,4
273.M.)y(1M.y
3
Ltb,
BLtb,ALtb,
ytb
−+
=
ρ
M
A

= 58 (kg/kmol), M
B
= 18 (kg/kmol).
y
tb,L
: nồng dộ phần mol của aceton trong pha hơi ở đoạn luyện:
7850,
2
0,92550,645
2
yy
y
P1
Ltb,
=
+
=
+
=
(kmol/kmol).
t
tb,L
: nhiệt độ làm việc trung bình của đoạn luyện
t
tb,L
KC 24,33764,24
2
57,8270,65
2
tt

FP
=°=
+
=
+
=
Do đó:
[ ]
)1,785(kg/m
337,24.22,4
273.18.0,785)(158.0,785
3
ytb
=
−+
=
ρ
10
- Khối lượng riêng trung bình đối với pha lỏng đoạn luyện
x2
tb1
x1
tb1
xtb
a1a1
ρρρ
−
+=
(IX-104a/sổ tay QTTB.II/t183)
xtb

ρ
: khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp lỏng trong đoạn luyện, kg/mᶟ
x2x1
,
ρρ
: khối lượng riêng trung bình của aceton và nước trong pha lỏng lấy theo
nhiệt độ trung bình (kg/m
3
), t
tb,L
= 64,24
o
C.
Theo bảng I.2/Sổ tay QTTB I/t.9:
)/m740,276(kg
3
64,24
x1x1
==
ρρ
)(kg/m668,980
3
64,24
x1x2
==
ρρ
a
tb1
: phần khối lượng trung bình của aceton trong pha lỏng.
0,6

2
0,950,25
2
aa
a
PF
tb1
=
+
=
+
=
(kg/kg )
820,75
xtb
=⇒
ρ
(kg/m
3
)
Vậy khối lượng riêng trung bình đối với pha lỏng và pha hơi đoạn luyện là:
820,75
xtb
=
ρ
kg/mᶟ
=
ytb
ρ
1,785 kg/mᶟ

b. Đoạn chưng
- Khối lượng riêng trung bình đối với pha hơi ở đoạn chưng
[ ]
kg/h,
t.4,22
273.M).y1(.My
Ctb,
B
'
tb1A
'
tb1
'
−+
=
ytb
ρ
(IX .102/Sổ tay QTTB II/t.183)
[ ]
)(kg/m 195,1
354,775.22,4
273.18.0,4194)(158.0,4194
'
775,354775,81
2
90,9265,70
2
t
4194,0
2

1938,0645,0
2
3
Ctb,
1
'
1
=
−+
=⇒
=°=
+
=
+
=
=
+
=
+
=
ytb
wF
w
tb
KC
tt
yy
y
ρ
- Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng đi trong đoạn chưng công

thức:
11
'
2
'
1
'
1
'
1
'
a1a1
xtb
tb
xtb
tb
xtb
ρρρ
−
+=
(IX .104/Sổ tay QTTB II/t.183)
ρ’
xtb
– Khối lượng riêng trung bình của lỏng, kg/m
3
ρ
’
x1
,
ρ

’
x2
– Khối lượng riêng trung bình của aceton và nước ở t
tb
=
81,775
o
C
'
1
a
tb
– Phần khối lượng của nước trong lỏng, kg/kg
)(kg/m76,970
)(kg/m69,716
15,0
2
05,025,0
2
aa
a
3775,8 1
2
'
2
3775,81
1
'
1
WF

'
1
==
==
=
+
=
+
=
xtbxtb
xtbxtb
tb
ρρ
ρρ
(theo bảng I.2/Sổ tay QTTB I/t.9)
)(kg/m746,921
a1a1
3'
'
2
'
1
'
1
'
1
'
=⇒
−
+=

xtb
xtb
tb
xtb
tb
xtb
ρ
ρρρ
Vậy khối lượng riêng trung bình đối với pha lỏng và pha hơi đoạn chưng là:
921,746'
xtb
=
ρ
kg/mᶟ
=
ytb
'
ρ
1,195 kg/mᶟ
3. Vận tốc khí (hơi) trung bình đi trong tháp
gh
ω
= 0,05.
y
x
ρ
ρ
(IX.111/Sổ tay QTTB II/t.186)
ω
y

= (0,8÷0,9).
gh
ω
ω
gh :
tốc độ giới hạn trên, m/s
Ta chọn ω
y
= 0,8.
gh
ω
a. Đoạn luyện
Tốc độ khí (hơi) đi trong đoạn luyện là:
gh
ω
= 0,05.
ytb
xtb
ρ
ρ
xtb
ρ

: khối lượng riêng trung bình của lỏng đi trong đoạn luyện, kg/mᶟ
12
ytb
ρ

: khối lượng riêng trung bình của khí (hơi) đi trong đoạn luyện, kg/mᶟ


gh
ω
=0,05.
785,1
75,820
= 1,072 (m/s)

y
= 0,8 . 1,072 = 0,858 (m/s)
b. Đoạn chưng
Tốc độ khí (hơi) đi trong đoạn chưng là:
gh
ω'
=0,05.
ytb
xtb
'
'
ρ
ρ
xtb
'
ρ

: khối lượng riêng trung bình của lỏng đi trong đoạn chưng, kg/mᶟ
ytb
'
ρ

: khối lượng riêng trung bình của khí (hơi) đi trong đoạn chưng, kg/mᶟ


gh
ω'
=0,05.
195,1
746,921
= 1,389 (m/s)

y
= 0,8.1,389 = 1,111 (m/s)
4. Diện tích ống chảy chuyền
- Đường kính ống chảy chuyền
z
cx
xtb
ch
3600
G.4
d
ωρπ
=
,m (IX.217/Sổ tay QTTB II/t.236)
Khi đó ta có diện tích ống chảy chuyền:
ch
f
=
z
cx
xtb
3600

G
ωρ
, m
2
G
xtb
: lưu lượng lỏng trung bình đi trong tháp, kg/h
ρ
x
: khối lượng riêng của lỏng, kg/m
3
ω
c
: tốc độ chất lỏng đi trong ống chảy chuyền
Thường lấy ω
c
= 0,1 ÷ 0,2m/s => chọn ω
c
= 0,15m/s
z: số ống chảy chuyền (z=1)
- Đoạn luyện
Ta có:
13
G
xtb
=
2
G+G
1R
2

G+.RG
1P
=
29,486
2
212,21334.0,57
=
+
=
(kg/h)
==
1.15,0.75,820 3600
29,486.4
d
,
π
Lch
0,037 (m)
Quy chuẩn: d
ch,L
= 0,04m
 ω
c
= 0,13 m/s
Lch
f
,
=
4
d.

2
,Lch
π
= 1,257.10
-3
(m
2
)
- Đoạn chưng
z
cxtb
xtb
Cch
' 3600
'G.4
d
,
ωρπ
=
, m
2
Ta có:
G’
xtb
=
2
G+)G+(G
'
1F1
75,5841

2
5471,29+6000)(212,2
=
+
=
(kg/h)
==
1.15,0.746,921 3600
75,5841.4
d
,
π
Cch
0,122 (m
2
)
Quy chuẩn: d
ch,C
= 0,125m
 ω
c
= 0,14 m/s
Lch
f
,
0123,0
4
d.
2
,

==
Cch
π
(m
2
)
5. Diện tích tự do của đĩa
A
f

=
yy
ωρ
3600
g
ytb
, m
2
A
f
: diện tích tự do của đĩa, m
2
ρ
y
: khối lượng riêng của hơi, kg/m
3
g
ytb
: lưu lượng hơi trung bình đi trong tháp, kg/h
ω

y
: vận tốc khí hơi trung bình đi trong tháp, m/s
- Đoạn luyện
14
LA
f
,

=
yytb
tb
ωρ
3600
g
=
33,0
858,0.785,1.3600
29,1820
=
(m
2
)
- Đoạn chưng
CA
f
,

=
yytb
tb

'.'.3600
'g
ωρ
=
24,0
092,1.236,1.3600
745,1175
=
(m
2
)
6. Đường kính của tháp
D =
π
4.F
,m
D: đường kính của tháp, m
F: diện tích mặt cắt ngang của tháp, m
2
(với F =
A
f

+
ch
f

)
- Đoạn luyện
F

L
=
LchLA
ff
,,
+

= 0,33 + 1,257.10
-3
= 0,3313 (m
2
)
 D
L
=
π
L
4.F
=
6495,0
3313,0.4
=
π
(m)
- Đoạn chưng
F
C
=
CchCA
ff

,,
+
= 0,24 + 0,0113 = 0,2513 (m
2
)
 D
C
=
π
C
4.F
=
566,0
2513,0.4
=
π
(m)
- Quy chuẩn:
D
L
= D
C
= 0,7 m => F

= 0,385 m
2

Khi đó:
LA
f

,
= 0,384 m
2
;
y
ω
= 0,737 m/s
CA
f
,
= 0,373 m
2
;
y
'
ω
= 0,649 m/s
III. Chiều cao của tháp
15
1. Hệ số khuếch tán
a. Hệ số khuếch tán trong pha lỏng
- Hệ số khuếch tán trong pha lỏng ở 20
o
C:
23/1
B
3/1
A
BA
6-

20
)VV.( A.B.
M
1
M
1
. .101
D
+
+
=
B
x
µ
,m
2
/s (VIII.14/Sổ tay QTTB II/t.133)
Trong đó:
• A,B: hệ số liên hợp của aceton và dung môi nước: A=1; B=4,7
• M
A,
M
B
: khối lượng mol của aceton và nước, kg/kmol
•
µ
B
: độ nhớt của dung môi nước ở 20
o
C: = 1 (cP) (tra bảng I.101/Sổ tay

QTTB II/t.91)
• V
A
, V
B
: Thể tích mol của aceton và nước
Tra bảng VIII.2/Sổ tay QTTB II/t.127
V
A
= 14,8 . 3 + 3,7 . 6 + 7,4 = 74 (cm
3
/mol)
V
B
= 18,9 (cm
3
/mol)
9
23/13/1
6-
20
10.219,1
)9,1874(. 1.7,4.1
18
1
58
1
. .101
D
−

=
+
+
=⇒
x
(m
2
/s)
- Hệ số khuếch tán ở nhiệt độ xác định t:

[ ]
)20t(b1.DD
20
−+=
x
t
x
(VIII.15/Sổ tay QTTB II/t.134)
Hệ số nhiệt độ :
3
2,0
b
B
B
ρ
µ
=
B
ρ
: Khối lượng riêng của dung môi nước ở 20

o
C (kg/m
3
)
B
ρ

= 998 kg/m
3
(theo bảng I.2/Sổ tay QTTB I/t.9)
02,0
998
12,0
b
3
==⇒
 Hệ số khuếch tán trong pha lỏng đoạn luyện: t = t
tb,L
= 64,24°C
[ ]
99
,
10.249,2)2024,64.(02,01.10.219,1D
−−
=−+=
Lx
(m
2
/s)
 Hệ số khuếch tán trong pha lỏng đoạn chưng: t = t

tb,C
= 81,775°C
16
[ ]
99
,
10.27,2)20775,81(02,0110.219,1D
−−
=−+=
Cx
(m
2
/s)
b. Hệ số khuếch tán trong pha hơi:
- Hệ số khuếch tán trong pha hơi:
BABA
y
M
1
M
1
)VV.( P
T .10.0043,0
D
23/13/1
5,14
+
+
=
−

, m
2
/s (VIII.5/Sổ tay QTTB II/t.127)
Trong đó:
P: áp suất tuyệt đối của hỗn hợp (P = 1atm)
T: nhiệt độ tuyệt đối của hỗn hợp, K
 Hệ số khuếch tán trong pha hơi đoạn luyện: t = t
tb,L
= 64,24°C
5
23/13/1
5,14
,
10.53,1
18
1
58
1
)9,1874.(1
)24,64273.(10.0043,0
D
−
−
=+
+
+
=
Ly
(m
2

/s)
 Hệ số khuếch tán trong pha hơi đoạn chưng: t = t
tb,C
= 81,775°C
5
23/13/1
5,14
,
10.65,1
18
1
58
1
)9,1874.(1
)775,81273.(10.0043,0
D
−
−
=+
+
+
=
Cy
(m
2
/s)
2. Hệ số cấp khối
a. Độ nhớt
 Độ nhớt của hỗn hợp hơi
1

BA
hh
M).y1(M.y
.M
−








−
+=
BA
hh
µµ
µ
, Ns/m
2
(I.18/Sổ tay QTTB I/t.85)
Trong đó:
y: nồng độ aceton trong pha hơi, kmol/kmol
M
hh
: Trọng lượng phân tử của hỗn hợp hơi, kg/kmol
µ
A
,

µ
B
: Độ nhớt của hơi aceton và hơi nước, Ns/m
2
- Đoạn luyện:
• y
tb,L
= 0,785 kmol/kmol
• M
hh,L
= 58.0,785 + (1 – 0,785).18 = 49,4 (kg/kmol)
• t = t
tb,L
= 64,24°C
Theo toán đồ I.35/Sổ tay QTTB I/t.117:
µ
A
= 0,0087.10
-3
(Ns/m
2
)
µ
B
= 0,011.10
-3
(Ns/m
2
)
17


6
1
33
,
10.84,8
10.011,0
18).785,01(
10.0087,0
58.785,0
.4,49
−
−
−−
=






−
+=
Lhh
µ
(Ns/m
2
)
- Đoạn chưng:
• y

tb,C
= 0,4194 kmol/kmol
• M
hh,C
= 58.0,4194 + (1 – 0,4194).18 = 37,776 (kg/kmol)
• t = t
tb,C
= 81,775°C
Theo toán đồ I.35/Sổ tay QTTB I/t.117:
µ
A
= 0,0092.10
-3
(Ns/m
2
)
µ
B
= 0,012.10
-3
(Ns/m
2
)

6
1
33
,
10.89,9
10.012,0

18).4194,01(
10.0092,0
58.4194,0
.776,34
−
−
−−
=






−
+=
Chh
µ
(Ns/m
2
)
 Độ nhớt của hỗn hợp lỏng
BtbAtbhh
µµµ
lg).x1(lg.x'lg −+=
(I.12/Sổ tay QTTB I/t.84)
µ
A,
µ
B

: độ nhớt của aceton và nước
x
tb
: nồng độ phần mol trung bình của aceton trong pha lỏng, kmol/kmol
- Đoạn luyện:
x
tb,L
=
2
xx
PF
+
=
2
855,00937.0 +
= 0,4744 kmol/kmol
t = t
tb,L
= 64,24°C, theo bảng I.101/Sổ tay QTTB II/t.91 ta có:
µ
A
= 0,224 (cP)
µ
B
= 0,445 (cP)
 lg(
µ
’
hh,L
) = 0,4744 . lg(0,224) + (1- 0,4744) . lg(0,445)


µ
’
hh,L
= 0,321 (cP) = 0,321.10
-3
(Ns/m
2
)
- Đoạn chưng:
x
tb,C
=
2
xx
WF
+
=
2
01607,00937,0 +
= 0,0549 kmol/kmol
t = t
tb,C
= 81,775°C, theo bảng I.102/Sổ tay QTTB I/t.94 ta có:
µ
A
= 0,197 (cP)
µ
B
= 0,350 (cP)

 lg(
µ
’
hh,C
) = 0,0549 . lg(0,197) + (1- 0,0549) . lg(0,350)

µ
’
hh,C
= 0,339 (cP) = 0,339.10
-3
(Ns/m
2
)
b. Chuẩn số Raynolds và chuẩn số Prandtl
 Chuẩn số Raynolds đối với pha hơi
18

y
yy
y
µ
ρω
.h .
Re =
[Sổ tay QTTB II/t.164]
Trong đó :
ω
y
: Tốc độ hơi tính cho mặt cắt tự do của tháp, m/s

h : kích thước dài, chấp nhận bằng 1m
ρ
y
: khối lượng riêng trung bình của hơi, kg/m
3
µ
y
: độ nhớt trung bình của hơi, Ns/m
2
- Đoạn luyện:
Lhh
yy
Ly
,
,
.h .
Re
µ
ρω
=
148817
10.84,8
785,1. 1 .737,0
6
==
−
- Đoạn chưng:
Chh
yy
Cy

,
,
'.h .'
Re
µ
ρω
=
78418
10.89,9
195,1. 1 .649,0
6
==
−
 Chuẩn số Prandtl đối với pha lỏng

x
D.
Pr
x
x
x
ρ
µ
=
[Sổ tay QTTB II/t.165]
Trong đó:
x
ρ
: khối lượng riêng trung bình của lỏng, kg/m
3

x
D
: hệ số khuếch tán trong pha lỏng, m
2
/s
x
µ
: độ nhớt trung bình của lỏng, Ns/m
2
- Đoạn luyện
Lxxtb
Lhh
Lx
,
,
,
D.
'
Pr
ρ
µ
=
9
3
10.249,2.75,820
10.321,0
−
−
=
= 173,9

- Đoạn chưng
Cxxtb
Chh
Cx
,
,
,
D.'
'
Pr
ρ
µ
=
9
3
10.27,2.746,921
10.339,0
−
−
=
= 162
c. Hệ số cấp khối
19
 Hệ số cấp khối trong pha hơi tính cho 1m
2
diện tích làm việc
của đĩa.
Theo công thức tính cho tháp đĩa lỗ:
)11000Re . 79,0(
4,22

D
+=
y
y
y
β
,
kmol
kmol
.s.m
kmol
2
[IX.42/Sổ tay QTTB II/t.164]
Trong đó :
y
D
: Hệ số khuếch tán trong pha hơi (m
2
/s)
y
Re
: Chuẩn số Raynold đối với pha hơi
- Đoạn luyện
)11000Re . 79,0(
4,22
D
,
,
,
+=

Ly
Ly
Ly
β

Ly,
β
)11000148817 . 79,0(
4,22
10.53,1
5
+=
−
= 0,0878 (
kmol
kmol
.s.m
kmol
2
)
- Đoạn chưng
)11000Re . 79,0(
4,22
D
,
,
,
+=
Cy
Cy

Cy
β

Cy,
β
)1100078418 . 79,0(
4,22
10.65,1
5
+=
−
= 0,0537 (
kmol
kmol
.s.m
kmol
2
)
 Hệ số cấp khối trong pha lỏng
62,0
Pr.
h .M
D . . 38000
x
x
xx
x
ρ
β
=

,
kmol
kmol
.s.m
kmol
2
[IX.44/Sổ tay QTTB II/t.165]
Trong đó :
ρ
x
: Khối lượng riêng trung bình của lỏng (kg/m
3
)
D
x
: Hệ số khuếch tán trung bình tỏng pha lỏng (m
2
/s)
M
x
: Khối lượng mol trung bình của lỏng (kg/kmol)
h : kích thước dài, chấp nhận bằng 1m.
Pr
x
: Chuẩn số Prant đối với pha lỏng.
20
- Đoạn luyện
M
x,L
= x

tb,L
.M
A
+ (1 - x
tb,L
).M
B

 M
x,L
= 0,4744.58 + (1- 0,4744).18 = 36,976 (kg/kmol)
Như vậy ta có
62,0
,
,
,
,
Pr.
h .M
D 38000
Lx
Lx
Lxxtb
Lx
ρ
β
=

Lx,
β

62,0
9
9,173.
1.976,36
10.249,2.820,75.38000
−
=
= 0,0465 (
kmol
kmol
.s.m
kmol
2
)
- Đoạn chưng
M
x,C
= x
tb,C
.M
A
+ (1 - x
tb,C
).M
B

 M
x,C
= 0,0549.58+ (1- 0,0549).18 = 20,196 (kg/kmol)
Như vậy ta có

62,0
,
,
,
,
Pr.
h .M
D .' . 38000
Cx
Cx
Cxxtb
Cx
ρ
β
=

Cx,
β
62,0
9
162.
1.196,20
10.27,2.921,746.38000
−
=
= 0,0923 (
kmol
kmol
.s.m
kmol

2
)
3. Hệ số chuyển khối

xy
y
K
ββ
m1
1
+
=
,
kmol
kmol
.s.m
kmol
2
[IX.33/Sổ tay QTTB II/t.162]
Trong đó :
: Hệ số cấp khối pha lỏng và pha hơi ,
kmol
kmol
.s.m
kmol
2
m : Hệ số phân bố vật chất phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất, nồng độ của
các pha.
m =
cb

cb
xx
yy
tg
−
−
=α
- Đoạn luyện:
21
0465,0
m
0878,0
1
1
K
,
+
=
Ly
,
kmol
kmol
.s.m
kmol
2
- Đoạn chưng:
0923,0
m
0537,0
1

1
K
,
+
=
Cy
,
kmol
kmol
.s.m
kmol
2
4. Số đơn vị chuyển khối :
y
y
yT
f
g
.K
m =
[IX.65a/Sổ tay QTTB II/t.173]
Trong đó :
K
y
: hệ số chuyển khối,
kmol
kmol
.s.m
kmol
2

: diện tích làm việc của đĩa, m
2
(Với = F – 2.)
: diện tích kênh chảy chuyền, m
2
( thường chọn bằng khoảng 1/6 diện tích
F)
g
y
: lượng hơi trung bình đi trong tháp, kmol/s
- Đoạn luyện
g
y
= 1820,29 kg/h => g
y
3600.4,49
29,1820
=
= 0,0102 (kmol/s)

L
= F
L
- 2. = 0,385 – 2.1,257.10
-3
= 0,382 (m
2
)

Ly

LLy
LyT
f
,
,
,
g
.K
m =
0102,0
382,0.K
,Ly
=
= 37,45.K
y,L
- Đoạn chưng
g'
y
= 1175,745 kg/h => g’
y
3600.984,35
745,1175
=
= 0,0091 (kmol/s)

C
= F
C
-2. = 0,385 – 2.0,0123 = 0,3604 (m
2

)
22

Cy
CCy
CyT
f
,
,
,
g
.K
m =
0091,0
3604,0.K
,Cy
=
= 39,60.K
y,C
5. Đường cong động học :
- Với mỗi giá trị x, tương ứng có A là điểm thuộc đường làm việc, C là điểm
thuộc đường cân bằng và B là điểm thuộc đường cong động học.
C
y
=
yT
e
m
y
C

AC
BC =
- Chọn x = 0,01607 ÷ 0,855
- Với mỗi giá trị của x, tính hệ số phân bố vật chất m, tính hệ số chuyển khối
K
y
, tính số đơn vị chuyển khối m
yT
và tỷ số C
y
tương ứng. Từ đó tìm được
điểm B tương ứng thuộc đường cong động học, nằm giữa A và C. Nối các
điểm B tìm được ta có đường cong động học của quá trình
- Bảng tổng hợp kết quả:
x x* y y* m Ky myT Cy BC
Đoạn
chưn
g
0.0160
7
0.00
1
0.01638
0.193
8
11.773
0.0068
4
0.27094
1.311

2
0.1353
0.04
0.01
5
0.18968
0.482
4
11.709
0.0068
7
0.27224
1.312
9
0.223
Đoạn
luyện
0.0937
0.04
7
0.57901
0.705
3
2.7042
0.0143
8
0.53852
1.713
5
0.0737

0.2
0.05
1
0.6176 0.803 1.2443
0.0262
1
0.98171 2.669 0.0695
0.3
0.06
9
0.6539 0.827 0.7494
0.0363
6
1.36163
3.902
5
0.0444
0.35
0.07
5
0.67205
0.834
5
0.5907
0.0415
1
1.55441
4.732
3
0.0343

0.5 0.1 0.7265 0.855 0.3213
0.0546
5
2.04671
7.742
4
0.0166
0.75 0.25 0.81725 0.893 0.1515
0.0682
7
2.5568
12.89
5
0.0059
0.855 0.5 0.85537
0.925
5
0.1976
0.0639
5
2.39484
10.96
6
0.0064
23
oLc
Từ đường nồng độ làm việc và đường cong động học vừa vẽ ta tìm được số đĩa
thực tế của tháp:
N
TT

= 11
Trong đó : Số đĩa đoạn chưng N
TT,C
: 8
Số đĩa đoạn luyện N
TT,L
: 3
6. Hiệu suất tháp và chiều cao của tháp :
- Hiệu suất tháp :
%33,33
15
5
N
N
===
TT
LT
η
- Chiều cao tháp
H = N
TT
(H
đ
+ δ) + (0,8÷1)
δ: chiều dày đĩa, chọn δ = 3mm
H
đ
: khoảng cách giữa các đĩa, mm
• Từ bảng IX.5/Sổ tay QTTB II/t.170, chọn H
đ

= 400mm
Như vậy:
H
L
= 3.(0,45 + 0,003) + 1 = 2,359 (m)
H
C
= 8.(0,45 + 0,003) + 1 = 4,624 (m)
 Chiều cao tháp là: H = H
L
+ H
C
= 6,983 (m)
Quy chuẩn chiều cao tháp : H = 7m
H
L
= 2,4m
H
C
= 4,6m
7. Chọn loại đĩa
Ta chọn loại đĩa với các thông số như sau:
• Đường kính : D

= 0,7 m
• Diện tích đĩa: F = 0,385 m
2
• Diện tích tự do tương đối: = 10%
• Chiều dài vách chảy tràn: L
c

: diện tích kênh chảy tràn, m
2
(thường chọn bằng 1/6 ~ 1/8 diện tích đĩa)
Chọn = .F = .0,385 = 0,0641 (m
2
)
Ta có diện tích kênh chảy chuyền là diện tích phần hình viên phân
f
k
=


.

. ( = 0,0641
 = 1,969
Khi đó: L
c
= 2. sin .

= 0,583 (m)
Như vậy L
c
= 0,583m
24
• Chiều cao vách chảy tràn : h
c
= 0,03 m
• Chiều dày đĩa δ = 3mm

• Khoảng cách giữa các đĩa H
đ
= 0,450 m
• Đường kính lỗ d = 3 mm
IV. Trở lực của tháp
Trở lực của tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền xác định theo công thức IX.135 và
IX.136/Sổ tay QTTB II/t.192 (Sổ tay QTTB II/t.194):
∆P = N
TT
. ∆P
đ
, N/m
2

N
TT
: số đĩa thực tế
∆P
đ
: Tổng trở lực của một đĩa (N/m
2
)
∆P
đ
= ∆P
k
+ ∆P
s
+ ∆P
t

(N/m
2
)
∆P
k
: Trở lực của đĩa khô (N/m
2
)
∆P
s
: Trở lực của đĩa do sức căng bề mặt (N/m
2
)
∆P
t
: Trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa (trở lực thủy tĩnh) (N/m
2
)
1. Trở lực của đĩa khô
∆P
k
= ξ.
2
.
2
oytb
ωρ
(N/m
2
) (IX.140/Sổ tay QTTB II/t.194)

Trong đó:
ξ : Hệ số trở lực. Chọn ξ = 1,82 do pha lỏng sạch
ω
o
: Tốc độ khí qua lỗ (m/s): ω
o
=
td
y
F
ω
=
td
y
f
ω
(m/s)
td
f
: tiết diện tự do của lỗ, %.
Thường lấy
td
f
= 7÷10%. Chọn
td
f
= 10% => ω
o
= 10 ω
y

ρ
ytb
: Khối lượng riêng trung bình của pha khí (kg/m
3
)
- Đoạn luyện:
∆P
k,L
= ξ.
2
).10.(
2
yytb
ωρ
= 1,82.
2
)737,0.10.(785,1
2
= 88,23 (N/m
2
)
- Đoạn chưng:
∆P
k,C
= ξ.
2
)'.10.('
2
yytb
ωρ

= 1,82.
2
)649,0.10.(195,1
2
= 45,8 (N/m
2
)
25