Thiết kế tháp chưng cất hệ benzen toluen hoạt động liên tục với năng suất nhập liệu là 2500 kg h

MỤC LỤC
3.3

Mâm lỗ - trở lực của mâm...................................................................................20

Mực 3.2.1
LỤC...................................................................................................................................
Cấu tạo mâm lỗ.............................................................................................20i

DANH
MỤC BẢNG
..............................................................................................................
iii
3.2.2
Độ giảm
áp của pha khí qua một mâm........................................................21

DANH
MỤC HÌNH
................................................................................................................
iv
3.2.3
Độ giảm
áp qua mâm khô.............................................................................21

LỜI MỞ
3.2.4ĐẦU...........................................................................................................................
Độ giảm áp do chiều cao mức chất lởng trên mâm....................................22V

CHƯƠNG
QUAN

CHƯNG CẤT...........................................1
3.2.5 1 TỔNG
Độ giảm
áp doVỀ
sứcQUÁ
căngTRÌNH
bề mặt...................................................................23

1.1
3.4

Lý thuyết
về chưng
...........................................................................................
Kiểm
tra ngập
lụt khicấttháp
hoạt động :...............................................................251

3.51.1.1Kích Khái
thướcniệm
ống........................................................................................................
chảy chuyền:..............................................................................261

pháp
chưng
cất..................................................................................
3.61.1.2Tính Phương
toán cơ khí
của

tháp.....................................................................................
271

1.1.3
3.4.1

Thiết
chưng
cất...........................................................................................2
Bc
dàybịthân
tháp............................................................................................27

1.23.4.2Giới Đáy
thiệuvàvềnắp
nguyên
.......................................................................................3
thiết liệu
bị........................................................................................29

1.2.1

Benzen & Toluen............................................................................................3

i
ii


DANH MỤC BANG

Bảng 2.1. Thành phần cân bằng lỏng (x), hơi (y) tính theo % mol và nhiệt độ sôi ...9

Bảng 2.2. Thành phần Benzen - Toluen trong hỗn hợp......................................................9

Bảng 2.3. Quan hệ tỉ số hồi lưu thích hợp với Nj...............................................................10

Bảng 2.4. Độ nhớt của hồn hợp............................................................................................12

Bảng 3.1 Kích thước của bích ghép thân, đáy nắp..............................................................30

Bảng 3.2 Các thông số của bích ghép ống dẫn nhập liệu........................................31

iii


DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1 Đồ thị xác định số mâm lý thuyết.................................................................................................11

IV


LỜI MỞ ĐÀU

Một trong những ngành có sự đóng góp to lớn đến nền công nghiệp nước ta
nói riêng và thế giới nói chung, đó là ngành Công nghệ Hóa học.

Hiện nay, trong nhiều ngành sản xuất hóa chất cũng như sử dụng sản phẩm
hóa học, nhu cầu sử dụng nguyên liệu hoặc sản phấm có độ tinh khiết cao phải phù
hợp với quy trình sản xuất hoặc nhu cầu sử dụng.

Ngày nay, các phương pháp được sử dụng để nâng cao độ tinh khiết như trích
ly, chung cất, cô đặc, hấp thu,... Tùy theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có
sự lựa chọn phương pháp thích hợp. Đối với hệ benzen - toluen là hai cấu tử hòa
tan vào nhau và có nhiệt độ sôi khác xa nhau nên ta chọn phương pháp chưng cất
tách các cấu tử trong hồn họp và thu được benzen có độ tinh khiết cao.

Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị là môn học mang tinhd tổng họp trong
quá trình học tập của các kỳ sư hóa trong tương lai. Môn học giúp sinh viên giải
quyết nhiệm vụ tính toán cụ thể về yêu cầu công nghệ, kết cấu, điều kiện vận hành,
giá thành của một thiết bị trong sản xuất hóa chất thực phẩm. Đây là bước đầu tiên
đê sinh viên vận dụng những kiến thức đã học của nhiều môn vào giải quyết nhũng
vấn đề kỹ thuật trong thực tế một cách tông quát.

Nhiệm vụ của môn học này là thiết kế tháp chưng cất hệ benzen - toluen hoạt
động liên tục với năng suất nhập liệu là 2500 kg/h có nồng độ 25% mol benzen, thu

V


CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VÈ QUÁ TRÌNH CHƯNG

1.1 Lý thuyết về chưng cất
1.1.1

Khái niệm

Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của hồn hợp lỏng cũng như hồn
hợp khí lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu
tử trong hỗn họp (nghĩa là khi ở cùng nhiệt độ, áp suất hơi bão hoà của các cấu tử

khác nhau).

■ Thay vì đưa vào trong hỗn hợp một pha mới đề tạo nên sự tiếp xúc giữa hai
pha như trong quá trình hấp thu hoặc nhả khí, trong quá trình chưng cất pha mới
được tạo nên bằng sự bốc hơi hoặc ngưng tụ.

■ Chưng cất và cô đặc khá giống nhau, tuy nhiên sự khác nhau căn bản nhất
của 2 quá trình này là trong quá trình 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 bao nhiêu cấu tử sẽ
thu được bấy nhiêu sản phẩm. Neu xét hệ đơn giản chỉ có 2 cấu tử thì ta sẽ thu được
2 sản phẩm:

■ Sản phâm 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 Benzen - Toluen

Đồ ủn Quá trình và Thiết bị hóa chất

1


Chương
Chương11Tông
Tôngquan
quanvề

vềquá
quátrình
trìnhchưng
chưngcất
cất

ƯU

điểm

-

Cấu tạo khá đon giản.

-

Trở lực thấp.

-

-

điểm
-

-

Trở lực tương đối
thấp.
Hiệu suất khá cao.

-

Do có hiệu ứng thành -»
- Không làm việc
hiệu
được
Nguyên lí làm việc:
suất truyền khối thấp.
với chất lỏng bấn.
- Ket cấu khá phức
Độ ốn định không cao, khó
tạp.
■ Chung một bậc
vận hành.

-

Có trở
lực
lớn.

-

Tiêu tốn
nhiều
vật tư,
kết cấu
phức
tạp.

Khá ôn
định.

- Hiệu
Làm việc được với chất
lỏng
y Nguyên tắc làm việc: dựa vào nhiệt độsuất
sôi của các cấu tử, nếu nhiệt độ
bấn nếu sôi
dùngcủa
đệm
cầu
c
ỏ
cao.
các cấu tử quá cao thì ta giảm áp suất làm việc đê giảm nhiệt độ sôi của các
cấu tử.

Do có hiệu ứng thành -»
khi
■ Chưng lôi cuốn theo hơi nước
tăng năng suất thì hiệu ứng
thành tăng -» khó tăng
■ Chưng cất

Cấp nhiệt ở đáy tháp:

• Cấp nhiệt trục tiếp

• Cấp nhiệt gián tiếp

Vậy: Đối với hệ Benzen - Toluen, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục
ở áp suất thường.
1.1.3

Thiết bị chưng cất

Trong sản xuất, người ta thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau đề tiến
hành chưng cất. Tuy nhiên, yêu cầu cơ bản chung của các thiết bị vẫn giống nhau

Đồ án Quả trình và Thiết bị hóa chất

2


Chương 1 Tông quan về quá trình chưng cất

■ Từ benzen
Nhiệt độtasôi:
có80°c
thê điều chế được các dẫn xuất của benzen như toluen
bàng phản ứng Friedel - Craữs (phản ứng ankyl hóa benzen bằng các dẫn xuất ankyl
halide với sự có mặt cảu xúc tác AICI3 khan)
■
Nhiệt độ nóng chảy: 5,5°c
C6H6 + CH3- C1 -> QH5-CH3
Toluen là một hợp chất mạch vòng, ở dạng lỏng và có tính thơm, công thức
phân tử tương tự như benzen có gắn thêm nhóm -CH 3. Không phân cực, do đó
toluen tan tốt trong benzen.Toluen có tính chất dung môi tương tự benzen nhưng

độc tính thấp hơn nhiều, nên ngày nay thường được sử dụng thay benzen làm dung
môi trong phòng thí nghiệm và trong công nghiệp.

o
o
o
o

Các tính chất vât lí của tơlưen:
Khối lượng phân tử : 92,13
Tỉ trọng (20°C) : 0,866
Nhiệt độ sôi: 11 l°c
Nhiệt độ nóng chảy : -95 °c

1.2.2 Các phương thức điều chế

■

$0 sánh
Đi từBảng
nguồn1.1
thiên
nhiênưu nhược điếm của các loại tháp

Vậy
quathường
phân tích
ta sử dụng
tháp mâm
chóptrong

đế chưng
BenzenvìThông
các trên
hydrocacbon
ít được
điều chế
phòngcất
thíhệnghiệm,
Toluen.
có thể thu được lượng lớn nó bàng phương pháp chưng cất than đá, dầu mỏ...

Đóngvềvòng
và dehydro
hóa ankan
1.2 ■
Giói thiệu
nguyên
liệu
■
Các ankan có thể tham gia đóng vòng và dehydro hóa tạo thành hydro
1.2.1 Benzen & Toluen
cacbon thơm ở nhiệt độ cao và có mặt xúc tác như Cr 203, hay các lim loại chuyền
tiếp như Pd, Pt
Benzen là một họp chất mạch vòng, ở dạng lỏng không màu và có mùi thom
nhẹ.Công thức phận tử là C6H6. Benzen không phân cực, vì vậy tan tốt trong các
dung môi hữu cơ không phân cực và tan rất ít trong nước. Trước đây người ta
Đồ
Đồán
ánQuả
Quảtrình

trìnhvà
vàThiết
Thiếtbịbịhóa
hóachất
chất
34


Chương 1 Tông quan về quá trình chưng cất

1.2.5 Thuyết minh quy trình:

Hỗn hợp Benzen - Toluen có nồng độ Benzen là 25% moi, nhiệt độ nguyên
liệu lúc đầu là 30°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 hỗn họp được đưa vào tháp chưng cất (7) ở đĩa nhập liệu và bắt
đầu quá trình chưng cất. Lun 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 đi từ trên xuống. Ở đây có sự tiếp
xúc và trao đổi giữa hai pha với nhau. Pha lởng 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
1.2.4 Sơ đồ quy trình công nghệ
hơi đi qua các đĩa từ dưới lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao là toluen sẽ ngưng tụ lại,
cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn họp có cấu tử benzen chiếm nhiều nhất
(nồng độ
mol).quy
Hơitrình:

này đi vào thiết bị ngưng tụ (8) được ngưng tụ hoàn toàn.
Kí 95%
hiệu trong
Một phần chất lỏng ngưng tụ đi qua thiết bị làm nguội sản phâm đỉnh (12), được
làm nguội bàng thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống (12) rồi được đưa qua bồn chứa
chứa
nguyên
sản phẩm 1.đỉnhBồn
(14).
Phần
còn liệu.
lại của chất lỏng ngùng tụ được hoàn lưu về tháp ở
đĩa trên cùng với tỉ số hoàn lưu thích hợp và được kiểm soát bàng lưu lượng kế.
Cuối cùng2. ở Bơm.
đáy tháp ta thu được hỗn họp lỏng hầu hết là cấu tử khó bay hơi
(Toluen). Hồn hợp lỏng ở đáy có nồng độ Benzen là 5% mol, còn lại là Toluen.
Dung dịch lỏng ở đáy đi ra khỏi tháp vào nồi đun (10). Trong nồi đun dung dịch
cao vị.
lỏng một 3.
phầnBồn
sẽ bốc
hơi cung cấp lại cho tháp đê tiếp tục làm việc, phần còn lại ra
4.

Thiết bị đun sôi dòng nhập liệu.

5.

Lưu lượng kế.

6.

Nhiệt kế.

Đồ án Quả trình và Thiết bị hóa chất

65


Chương 1 Tống quan về quá trình chưng cất

Đồ án quá trình thiết bị _ Nhóm 3

CBHD: Vũ Trường Son

7


ap =

xF.M

° xn.M

a =

R

B

=

+(1 - X F ) . M T

+(1 - X D ) . M T

=

0,25 + (l - 0,25 )x 92

=

°’ 22

0,95 .78 + (1 - 0,95 ).92

=

°’ 94

X . M2 CÂN BẢNG0,95.78
CHƯƠNG
VẶT CHẤT
D

B

•

2.1 Các thông số ban đầu

-

Năng suất theo nhập liệu

: 2500 kg/giờ

-

Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong nhập liệu : 25% mol benzen

-

Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong sản phấm đỉnh: 95% mol benzen

-

Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy : 5% mol benzen

-

Nguyên liệu vào hệ thống ở nhiệt độ sôi

-

Quá trình làm việc trong thiết bị ở áp suất thuờng.

-

Loại thiết bị sử dụng là tháp mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền

-

Khối luợng phân tử của benzen và toluene : MB = 78, MT = 92 .

• Chọn

+ Nhiệt độ nhập liệu: tF = 30°c .

+ Nhiệt độ sản phẩm đinh sau khi làm nguội: tD = 35°c .

Đồ án Quá
trìnhđộ
và Thiết
bị hóađáy
chấtsau khi trao đôi nhiệt: t = 35°c .
+ Nhiệt
sản phâm

8


aw=

X W . M B +(1

-XW).MT

=

0,05 .78 + (1 - 0,05 ).92 = °’ 0 4

Chương 2 Cân bằng vật chất

CBHD: Vũ Tnrờng Sơn

_________x w . M B ________ ___________0,05 .78 _________

Nhiệt độ sôi (°C)

Phương trình cân bàng vật chất cho toàn tháp

Gp = GD + G\v (1)

[5] trang 144

Phương trình cân bàng vật chất đối với cấu tử dễ bay hơi (Benzen)

Gp .aF = GD .ao L Gw .a\v (2)

[5] trang 144

Giải hệ phương trình (1) và (2) ta được:

Lượng dòng sản phẩm đỉnh:

Dựa vào bảng này ta vê được đường cân bằng y cb= f(x) và xác định được phần
mol (y) và nhiệt độ sôi tương ứng.

x

Bi =

D

R, + l

Chương 2 Cân bằng vật chất

CBHD: Vũ Tnrờng Sơn

các định
đườngtỉ làm
việclun
củathích
đoạn hợp
luyện ứng với các giá trị Bị đó. Từ đó qua đồ
2.3 Vẽ Xác
số hoàn
thị ta tìm được các giá trị Nị tương ứng. Từ các giá trị Nị tìm được ta thành lập các
giá trị tương ứng Nj(Rj + 1)
2.3.1 Tỉ số hoàn lưu tối thiểu
2.3.1.1.

Xác

định

so

mâm

lý

thuyết

Tỉ sô hòi lưu tôi thiêu
X D - y F 0,95 0,446
-

Rmin =

= 0 446 0 25 = 2,57 [5] trang 158
-

yF XF

Trong đó: yF* là nồng độ cân bằng ứng với Xp
Tỉ số hồi lưu làm viêc

Thường được xác định qua tỉ số hồi lưu tối thiểu
Bảng 2.3. Quan hệ tỉ số hồi lưu thích họp vói Ni

Thiết lập quan hệ phụ thuộc giữa Rj và Nj(Rị+ l)trên đồ thị. Điêm cực tiêu của

ĐồĐồánánquá
quá
trình
bịbị_dưới

_Nhóm
Nhóm
3 định được:
Từtrình
đô thiết
thịthiết
bên
ta3 xác

9 10


Chương
Chương22Cân
Cânbằng
bằngvật
vậtchất
chất

CBHD:
CBHD:Vũ
VũTnrờng
TnrờngSơn
Sơn

2.3.1.2. Xác định số mâm thực tế
Từ đó suy ra N|t = 10,5 mâm

Đồ thị xác định số mâm lý thuyết

Từ số liệu ở [4] trang 92 và thực hiện phép nội suy ta xác định được độ nhớt
Bảng 2.4. Độ nhót của hỗn họp

Độ nhớt hồn hợp được tính theo công thức:

\ gt l hh =x x . M \ + x2. h 2
0

Trong đó:

0.2

0.4

[4] trang 84

0.6

0.8

1

Hình 2.1 Đồ thị xác định số mâm lý thuyết

X|, x2: nồng độ mol của Benzen và Toluen
1 , h 2 : độ nhớt động lực của Benzen và Toluen
Độ nhớt sản phẩm đỉnh:

lg h D = Xp. hìD + x2. h 2 D

= 0,95.1g0,313 + (1 - 0,95).lg0,316 = -0,5042
=>/'/)=

io(-°’5042)

Độ nhớt nguyên liệu đầu:
lg h F = Xp. M \ F + x2. t
Đồ
Đồán
ánquá
quátrình
trìnhthiết
thiếtbị
bị__Nhóm
Nhóm33

=
l

0,313

Cp

2F

12
11


01D =

\ - y D ' JCỠ = 1-0,98 • 0,95

= 2,579

\ - y F ' Chương 2 Cân bằng vật chất

F

CBHD: Vũ Tnrờng Sơn X F 1 - 0,446

•

Độ bay hơi tương đối của
nguyên
sản
phẩm
liệu
đỉnh:
đáy:
đầu:
a
Khi biết được tích
(II
- 171)
y wysố
yD F(l 1-ỉ --)Xxtra
XDwF0,98
0,446
0,118ta xác định

1 - 0,95
1-0,05
1được
- 0,25hiệu suất tương
ữ

»• . V»'

a w — ------------------------------------—

a=

-----------2- _ -----------------------------—------------------------ ----------—------------------- =

1 - y w ■ x w 1-0,118

----- — ---------- — - - -—--

•

9 ^49

= 2,542. 0,2544 = 0,646

0,05

- - -—- = ? 41 s

SỔ mâm thực tế được tính theo công thức:
7D

= 51,895 %

7,

Nt=^

= 54,42 %

7w

=54,31 %

[5] trang 170
7 lb

=> 7 = 5 3 , 5 4 2 %
_
N „
=> N, =

10,5
= 0,53542

=

19 6 mâ m

.

Trong đó: Nit: số mâm lý thuyết
Chọn Nt = 20 mâm
7 Ih : hiệu suất trung bình của thiết bị
7, + 72 +... + ĩin
't t h =
n

Với 7 I , 7 2, 7 „ ; hiệu suất của các bậc thay đổi nồng độ
n: số mâm tính hiệu suất

Hiệu suất trung bình là hàm số của độ bay hơi tương đối của hỗn họp và độ
nhớt của hỗn họp lỏng 7 ,b = f( ot /' )

Ta có:

a D .V D = 2,579. 0,313 = 0,807

a F .M F = 2,415.0,27 = 0,652
Đồ án quá trình thiết bị _ Nhóm 3

13

0,25


Chương 2 Cân bằng vật chất

CBHD: Vũ Tnrờng Sơn

SỐ mâm đoạn chưng: 8 mâm

Số mâm đoạn cất: 11 mâm
Số mâm nhập liệu: 1 mâm

Đồ án quá trình thiết bị _ Nhóm 3

14


CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN - THIÉT KÉ THÁP CHƯNG
CẤT
: lượng
hơi tháp
trung bình đi trong tháp (m3/h).
3.1Vtb
Đưòng
kính
(m)
(Dt)
(Otb : tốc độ hơi trung bình đi trong tháp (m/s).
gib : lượng hơi trung bình đi trong tháp (kg/h).

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng và đoạn cất khác nhau. Do đó,
đường kính đoạn chưng và đoạn cất cũng khác nhau .

3.1.1
Đường kính đoạn cất:
3.1.1.1 Lượng hơi trung bình đi trong tháp :
, „
= gd+g 1
g,b- —2— (kg/h)

gd: lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (kg/h).
gi : lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn cất (kg/h).

• Xác định gd: gd= D.(R+1) = 500.(4,11+1) = 2555 (kg/h)

• Xác định g]: Từ hệ phương trình :
g ị =G i +D
< g r y ] =ơ,.x, + D . X
AVÌ = êd-rd

(III. 1)

D

Đồ ủn Quá trình và Thiết bị hóa chất

15


■ 78^+^192 = °>56% •
Chương 3 Tính toán - thiết kế tháp chưng cất

CBHD: Vũ Tnrờng Sơn

An nhiệt hoá hơi của benzen : rBd = 392,64 (kJ/kg) .

Ân nhiệt hoá hơi của toluen : rTd= 377,86 (kJ/kg) .
= 392,29 (kJ/kg)

-<
fG, =2195,98 (kg/h)
Ỵ]

=

Vậy: gtb =

0,35

2555 + 2695 ,98
2

3.1.1.2 Tốc

độ

(phân

khối

lượng)

- 2625 ,49 (kg/h)

hơi

trung

bình

đi

trung

tháp

Tốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp với mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền:
^ = °-ũ5-ặ:

: khối• Xác
lượngđịnh
riêng
pytbtrung
: bình của pha lỏng (kg/m3).
Pytb -

'

k-78+(l-yj92Ị273
22,4.(Í,4 + 273)

y I + y D 9,39 + 0,98

Với: + Nông độ phân mol trung bình : ytb =-------------------------2-----=
,

t p + 10

2

= 0,685

100,4 + 81,25

+ Nhiệt độ trung bình đoạn cât: t(b = —2— =------------2-------- = 90,825 c
= 2,76 (kg/m3).
• Xác định pxtb :

Đồ án quá trình thiết bị _ Nhóm 3

16


ơ

hh

ơ

B ƠT

G ,=gl+fr

'

Chương 3 Tính toán - thiết kế tháp chưng cất

(III.2)

CBHD: Vũ Tnrờng Sơn

ơ
ttb
= 90,825°c,
[4] trang3 9,
ta cóƠT: = 20,36.10'3 N/m (số liệu tra từ bảng 1.242
Với:
B = 19,95.10"
N/m,

trang 300 tài liệu tham khảo [4])
Pxtb = 800,48 (kg/m3)
„

/800 ,48

Ta thấy ơ hh < 20 theo [5] - trl 84 chọn V iơ ]= 0,8
Suy ra : Mgh - °'05 -y 2 76

= 0,85 (m/s)

Đe tránh tạo bọt ta chọn tốc độ hơi trung bình đi trong tháp :
= °’80’85 = 0,68 (m/s)

Xác định

Ta có:
— =----------f — => ơhh = 10,07.10 ‘ 3 N / m = 10 ,07 dvn / cm

=

0,065.0,8.^0,3.800,48.2,76 = 1,34kglm 2 .s
Dcất

2624 ,38
,34

3.1.2
kính đoạn chưng
< G\.x\ =Đường
g\.yw +W.x
w
g\-r\=g\S
3.1.2.1 Lượng
n = g\Ahơi trung hình đi trong tháp

g'l
b lượng
=
g’n:
hơi ra khỏi đoạn chưng (kg/h).

g’i : lượng hơi đi vào đoạn chưng (kg/h).

• Xác định g’„ : g’n= gi = 2693,76 (kg/h)

• Xác định g’]: Từ hệ phưoug trình :
Đồ án quá trình thiết bị _ Nhóm 3

17

Chương 3 Tính toán - thiết kế tháp chưng cất

CBHD: Vũ Tnrờng Sơn

Với G 1: lượng lỏng ớ đĩa thứ nhất của đoạn chưng .

r’i : ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng.

* Tính r’] : xw = 0,04 tra đồ thị cân bàng của hệ ta có : y

v

=0,018

t’i = tw = 108,3°c , tra tài liệu tham khảo [4], ta có :

An nhiệt hoá hơi của Benzen : r’Bi = 372,04 (kJ/kg) .

An nhiệt hoá hơi của Toluen : r’xi = 363,31 (kJ/kg) .

2695,98 + 2752,4
Suy ra : r’] = r’ei. y w + (1-ỹ w ).r’T1 = 364,2 (kJ/kg)
2
3.1.2.2

Tốc độ hơi trung hình đi trong2724,19
tháp (kg/h)

Với : p'xtb : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (kg/m 3) .
p'ytb : khối lượng riêng trung bình của pha hơi (kg/m3).

• Xác định p’ytb:
[y'ft.78H-(l-y,J.92Ị273
+ Nhiệt độ
chưng
: t’3tb=—2— =
Đồtrung
án quábình
trìnhđoạn
thiết
bị _ Nhóm

100 .4 + 108 ,3

tp + tw 100 .4 + 1082

= 104,35°c
18


co

'>’ = °’S-Ũ)'gh = 0,8.0,828 = 0 662 (m/s^

ơ

hh ƠB ƠT

Chương 3 Tính toán - thiết kế tháp chưng cất

CBHD: Vũ Tnrờng Sơn

Suy ra : p’ytb= 2,86 (kg/m3).
• Xác định p’xtb :
,

XF+X

W

0,25+0,05

t’tb = 104,35°c , tra tài liệu tham khảo [4] trang 9, ta có :
Khối luợng riêng của benzen: P’B = 787,78 (kg/m3)
Khối luợng riêng của toluen: p’T = 783,22 (kg/m3)
\P B

Ty

= 783,81 (kg/m3)
co
ơ
3
Suy
'gh
- °'05 ■■yj3 ơ 2N/m,
X6 = 0,828
Với:raơ : BXác

=18,278.10’
=(m/s)
18,94.10'
liệu tra từ bảng 1.242
định V i J: hệ sốT tính
đến sức N/m
căng (số
bề mặt
trang 300 [6])
Ta có:
Đe tránh tạo bọt ta chọn tốc độ hơi trung bình đi trong tháp :

Ta thấy ơ hh < 20 theo [5] - trl 84 chọn [ơ ]= 0,8
—= — + — => ơhh =9,3.1 o-3N/m = 9,3dynỉcm

),„ = 0,065.D, =0,0188 ——--------= 0.0188.,j''2724,19 =0,845/»
Ì(P,M y )«
V 1.35
Đồ án quá trình thiết bị _ Nhóm 3

W

19


Chương 3 Tính toán - thiết kế tháp chưng cất

CBHD: Vũ Tnrờng Sơn

Vậy:
ta bố :tríhai
cácđường
lồ trênkính
1 hàng
là 47
lồ trên
đường
chéochênh
là 93 lỗ.
Kết luân
đoạn
cất lỗ,
vàsốđoạn
chưng
không
lệch nhau quá
lớn nên ta chọn đường kính của toàn tháp là : Dt = 0,85 (m).
3.2.2
Độcất:
giảm
áp của pha khí qua một mâm
+ Phần
C0|V

Độ giảm áp tổng cộng của pha khí (tính bằng mm.chất lỏng ) là tổng các độ
t ' và
ỵtư các độ giảm áp do pha lỏng:
giảm áp của pha khí qua mâm khô
3.2 Chiều cao tháp chung cất

hti = hk + h| + hR (mm chất lỏng)

H = N ,{H d +S) +( 0,8 + 1) (m)

Với : + hk :độ giảm áp qua mâm khô (mm chất lỏng).
N( : số đĩa thực tế
5 : bề dày của đĩa (m)
+ hi: độ giảm áp do chiều cao lóp chất lỏng trên mâm(mm chất lỏng).
K=
m = 0,8 -ỉ- 1 (m) khoảng cách cho phép ở đỉnh và đáy thiết bị
Chọn m = 0,8 (m)
H = 20.(0,3 + 0,0018) + 0,8 = 6,836 (m)
Hđáy = Hnắp = ht + hgò = 0,15 + 0,05 = 0,2 (m)

Chiều cao tháp là: H = 6,835 + 0,2. 0,2 = 7,235 (m) (xem phần đáy nắp)
3.3 Mâm lỗ - trỏ’ lực của mâm

3.2.1 Cấu tạo mâm lồ

Chọn : + Đường kính lồ : di = 3 (mm).

+ Tổng diện tích lỗ bàng 8% diện tích mâm.
Đồ án quá trình thiết bị _ Nhóm 3

20


Chương 3 Tính toán - thiết kế tháp chưng cất

CBHD: Vũ Tnrờng Sơn

5,788
h k = 51,0.Í
'Ị 2,76
2

^ 0,735 J 800 ,48

= 10,9 (mm chất lỏng)
• Đối với mâm ở phần chưng :
_

,

C ử ' ìv

_ 0,466

+ Khối lượng riêng của pha hơi : p’o = p’ytb = 2,86 (kg/m3).

h\ = 51,0.

5,825

2,86

3.2.4 Độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm

Phương pháp đơn giản đe ước tính độ giảm áp của pha hơi qua mâm do lóp
(mmtràn

chấthlỏng)
chất lỏng trên mâm hi là từ chiều cao gờ chảy
w, chiều cao tính toán của lóp
chất lỏng trên gờ chảy tràn how và hệ số hiệu chỉnh theo kinh nghiệm ị3 :
Với : + u0 :vận tốc pha hơi qua lỗ (m/s).
Chiều cao tính toán của lớp chất lỏng trên gờ chảy tràn được tính tù’ phương
+ PG : khối lượng riêng của pha hơi (kg/m3).
, (mm chất lỏng)
h ow
ĩ.s è

o

___mâm _ _
_-_
Co = 0,735
Với : + qL: lưu lượng của chất lỏng (m3/ph).

,,,

• Đối với mâm ở phần cất:
_ Ờ) N _ 0,463
• Xác định Lw :
+ Vận tôc pha hơi qua lô : u0 = go/ ~ 0 Qg = 5,788 (m/s).

Đồ án quá trình thiết bị _ Nhóm 3

21
22

Chương 3 Tính toán - thiết kế tháp chưng cất

CBHD: Vũ Tnrờng Sơn

Diện tích dành cho ống chảy chuyền là 20% diện tích mâm, nên ta có phương
Tĩ.n
180°.;r

Với n° là góc ở tâm chắn bởi chiều dài đoạn Lw .

Dùng phương pháp lặp ta được : n° = 93°12’22”

Suy ra: Lw = Dt. sin(n°/2) = 0,618 (m).

• Xác định qL :

,

, _ G 1 M,bữ. _ 4752,4

Vậy độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm ở phần chưng :
h’i = 0,6.(50 + 12,89) = 37,734 (mm chất lỏng).

3.2.5

Độ giảm áp do sức căng bề mặt

Đồ án quá trình thiết bị _ Nhóm 3

23


ơ

hh =

ơ

B T
+ ơ

= 10,07

(dyn/cm).
Chương 3 Tính toán - thiết kế tháp chưng cất

ơ

"

=

a\+a\ =

9 3

’

CBHD: Vũ Tnrờng Sơn

Vậy
áp dobề
sức
căng
mặtlỏng
ở phần
chưng là:
Với :: +Độ
ơ :giảm
sức căng
mặt
củabề
chất
(dyn/cm).
9 3sức căng bề mặt ở phần cất là :
Vậy độ giảm áp do

(dyn/cm).

hR = 625 ,54
48 - = 2,623 (mm chất lỏng).
+ p : khối lượng
riêng của pha lỏng (kg/m3).
h\ = 625 ,54L • 783 ’81 3 = 2,474 (mmchất lỏng).

* Phần
Phầncchưng
ất: :
Tóm lại: Độ giảm áp tổng cộng của pha khí qua một mâm ở:

3 3
* Khối lượng riêng của pha lỏng : pp’LL==pp’
= =800,48
(kg/m
).
783,81
(kg/m
+ Phần cất: ht| = 10,94 + 34,932 + 2,623xtb=xtb47,955
(mm
chất).lỏng),
hay htl = 376,58 (N/m2).

* tt’tbtb==90,825°c,
có :khảo [4], ta có :
104,35°c [4
,tra(tập
tài 1)],
liệu ta
tham
+ Phần chưng: h’u = 11,69 + 37,734 + 2,474 = 51,898 (mm chất lỏng),
hay h\i = 399,05 (N/m2).
(dyn/cm).
+ Sức căng bề mặt của benzen : Ơ
Ơ’BB==19,95
18,278
(dyn/cm).
+ Sức căng bề mặt của toluen : Ơ
Ơ’T = 20,36
18,94 (dyn/cm).
ra:sức

Sứccăng
căngbềbềmặt
mặtcủa
củachất
chấtlỏng
lỏngởởphần
phầnchưng:
cất:
Suy ra

Đồ án quá trình thiết bị _ Nhóm 3

24


Chương 3 Tính toán - thiết kế tháp chưng cất

CBHD: Vũ Tnrờng Sơn

Suy ra: Tông trớ lực của toàn tháp hay độ giảm áp tông cộng của toàn tháp
(xem độ giảm áp tổng cộng của pha khí qua mâm nhập liệu bằng độ giảm áp tổng
cộng của pha khí qua một mâm ớ phần chung )

Xhtl = 11. ht| + 8. h\, = 11. 376,58 + 8. 399,05 = 7334,78 (N/m2)

3.4 Kiếm tra ngập lụt khi tháp hoạt động :

Chọn khoảng cách giữa hai mâm là hmâm =300 (mm).

, (mm chất lỏng)

trong đó : + QL : lưu lượng của chất lỏng (m3/h).
+ sd : tiết diện giữa ống chảy chuyền và mâm, khi đó :

Vậy chiều cao mực chất lỏng trong ổng chảy chuyền của mâm xuyên lồ ở
phần cất:

hd =50 + 7,32 + 47,955 + 4,095.10~4 =105,275 (mm chất lỏng).

Kiểm tra : hd = 105,275 c-y22- = —= 150 (mm) đảm bảo khi hoạt động các
mâm ở phần cất sẽ không bị ngập lụt.

Đo án quá
trình chưng
thiết bị _: Nhóm
• Phần
Ọ’L =360.q’L = 60.0,1= 6 (m3/h).

25