THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG LUYỆN LIÊN TỤC HỖN HỢP ACID ACETIC-BENZEN

ĐỀ TÀI: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG LUYỆN LIÊN
TỤC HỖN HỢP ACID ACETIC-BENZEN, VỚI CÁC SỐ LIỆU BAN ĐẦU
GD=550KG/H, NỒNG ĐỘ ĐẦU CỦA NGUYÊN LIỆU XF ,SẢN PHẨM ĐỈNH XP , SẢN
PHẨM ĐÁY XW LẦN LƯỢT(40, 95, 0.50)%MOL
MỞ ĐẦU
Chưng luyện là một trong các quá trình hay dùng để tách hoàn toàn hỗn hợp lỏng
đồng nhất gồm các cấu tử có nhiệt độ sôi rất khác nhau, dễ bay hơi có tính chất hòa tan một
phần hoặc hòa tan hoàn toàn vào nhau. Việc thiết kế hệ thống chưng luyện, với mục đích là
tách benzene ra khỏi hổn hợp acid acetic-benzen là một trong các nhiệm vụ của kỹ sư nghành
công nghệ hóa học. Vậy thì vì sao việc chưng luyện là cần thiết?
Ngày nay cùng với sự phát triển vượt bậc của nền công nghiệp thế giới và nước nhà,
các ngành công nghiệp cần rất nhiều hóa chất có độ tinh khiết cao để phục vụ cho sản xuất và
chế tạo ra những sản phẩm tốt nhất và đạt chất lượng cũng như sự an toàn.
Trước hết chúng ta hãy nhìn lại ứng dụng riêng biệt của từng hợp chất hữu cơ sau:
Acid acetic là một loại acid quan trọng nhất trong các loại acid hữu cơ. Nó rẻ nên
được ứng dụng rộng rãi và là hóa chất cơ bản để điều chế nhiều hợp chất quan trọng. Acid
acetic được ứng dụng trong các nghành: Làm dấm ăn, đánh đông mủ cao su, làm chất dẻo tơ
lụa xeluloza acetat, làm phim ảnh không nhạy lửa, làm chất kết dính polyvinyl acetat, làm
phẩm màu, dược phẩm, nước hoa tông hợp.
Benzen được dùng làm dung môi tốt cho nhiều chất như Iôt, Lưu huỳnh, chất béo,…
Về mặt ứng dụng nó được dùng để điều chế nitro benzene, anilin, tổng hợp phẩm nhuộm,
dược phẩm… Clobenzen là dung môi tổng hợp DDT, hexacloaran (thuốc trừ sâu) stiren
(monomer để tổng hợp chất dẻo) và nhiều sản phẩm quan trọng khác.

Page 1


Hỗn hợp lỏng đồng nhất gồm các cấu tử hòa trộn vào nhau sẻ không có tác dụng hay
ứng dụng gì trong từng nghành, từng lĩnh vực cũng như trong đời sống. Nhưng khi tách riêng
các cấu tử có trong hỗn hợp thì mỗi một chất có một tác dụng riêng và ứng dụng riêng.Vì thế,
việc chưng luyện liên tục hợp chất axit acetic-benzene là rất cần thiết, Nó sẽ tạo ra những hơp

chất có độ tinh khiết cao, đáp ứng được nhu cầu của từng ngành...Khi độ tinh khiết càng cao
thì giúp nâng cao chất lượng của sản phẩm cũng như nâng cao giá trị và phạm vi sử dụng làm
cho giá thành càng cao.
Không những thế, hướng tới mục đích thiết kế quá trình và thiết bị công nghệ trong
lĩnh vực chưng luyện là một trong những mục tiêu mà em hướng tới trong quá trình học tập
của mình.
Vì thế đề tài “Thiết kế hệ thống chưng luyện acid acetic-benze” của môn “Đồ án môn
học quá trình thiết bị” cũng là một bước giúp cho em cũng như các bạn sinh viên khác tập
luyện và chuẩn bị cho việc tính toàn, thiết kế quá trình và thiết bị công nghệ trong lĩnh vực
này.
Chính vì những lí do như trên nên em chọn đề tài là “Tính Toán Và Thiết Kế Hệ
Thống Chưng Luyện Liên Tục Hỗn Hợp acid acetic-benzen với các số liệu ban đầu
GD=550kg/h, nồng độ đầu của nguyên liệu XF, sản phẩm đỉnh XP, sản phẩm đáy XW lần lượt là
(40, 95, 0.50)%mol”.
Với mục đích và ý nghĩa như trên nên đề tài của đồ án môn học này gồm 3 phần:
•
•
•

Chương 1: Tổng quan lý thuyết.
Chương 2: Tính cân bằng vật chất.
Chương 3: Tính cân bằng năng lượng.

Page 2


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
1.1:Tổng quan về nguyên liệu và sản phẩm
1.1.1: giới thiệu về acid axetic
Tên gọi:Axit axetic còn có tên gọi là etanoic

Công thức cấu tạo: Là một hợp chất hữu cơ với công thức hóa học CH 3CO2H
(cũng viết là CH3COOH). Nó là một acid quan trọng nhất trong các loại acid hữu cơ.

Tính chất vật lý:Axit axetic là chất lỏng, không màu, vị chua, tan vô hạn trong
nước, cồn, ete,benzene, axeton và trong chloroform, chúng hoàn toàn không tan trong
CS2, sôi ở 118°c khối lượng phân tử là 60,5. khi không pha loãng cũng được gọi là acid
acetic băng. Axit axetic là thành phần chính của dấm(ngoài nước), và có một hương vị
chua và mùi hăng đặc biệt.
Về mặt hóa học: Mặc dù nó được phân loại như là một axit yếu, axit axetic đậm
đặc ăn mòn nhiều kim loại, và tấn công da. Rất bền với các chất oxy hóa như acid
chromic và permanganate.Axit axetic là một axit cacboxylic đơn giản nhất, là thuốc
thử hóa học và hóa chất công nghiệp. Axit axetic có thể tạo các phản ứng hóa học đặc

Page 3


trưng của nhóm axit cacboxylic như tạo ra nước và ethanoat kim loại khi phản ứng
với kiềm, Axit axetic tạo ra ethanoat kim loại khi phản ứng với kim loại; và tạo ra
ethanoat

kim

loại,

nước và cacbon

dioxit khi CH3COOH phản

ứng với

các cacbonat và bicacbonat. Phản ứng đặc trưng nhất của Axit axetic là tạo
thành ethanol, và tạo thành các dẫn xuất như axetylclorua bằng cách thay thế nhóm
-OH bởi -Cl. Các dẫn xuất thay thế khác như anhydrit axetic, anhydrit này được tạo ra
theo phản ứng trùng ngưng tách phân tử nước từ hai phân tử của axit
axetic. Các este của nó tương tự có thể được tạo ra bởi este hóa, và các amit. Khi nung
trên 440°C, axit axetic phân hủy tạo ra cacbon dioxit và metan, hoặc tạo ra
ethenon và nước. Axit axetic có thể được nhận biết bởi mùi đặc trưng của nó. Phản ứng
biến đổi màu đối với các muối của axit axetic là cho tác dụng với dungdịch sắt(III)
clorua, phản ứng này tạo ra màu đỏ đậm sau khi axit hóa.

Page 4


Ứng dụng:chủ yếu được sử dụng trong sản xuất của cellulose acetate chủ yếu
cho phim ảnh và polyvinyl acetate gỗ keo , cũng như và các loại vải sợi tổng hợp. pha
loãng axit axetic thường được sử dụng trong đại lý tẩy cặn. Trong ngành công nghiệp
thực phẩm, acid acetic được sử dụng theo mã phụ gia thực phẩm E260 là một điều
chỉnh độ chua và như một thứ gia vị. Làm giấm ăn, làm đong đặc nhựa mủ cao su, làm
chất dẻo sợi xenluloza axetat- làm phim ảnh không nhạy lữa, chất màu, dung môi hữu
cơ, tổng hợp chất dẻo tơ sợi.
Hình 1.1.1: dấm dùng để bảo quản thực phẩm

1.1.2:Benzen
BenzenBenzen là một hợp chất hữu cơ có công thức hoá học C₆H₆.
Về tính chất vật lý: Benzen là một hyđrocacbon vòng thơm, trong điều kiện bình
thường là một chất lỏng không màu, mùi dịu ngọt dễ chịu, dễ cháy. Benzen tan rất kém

trong nước và rượu, tan nhiều trong các dung môi hữu cơ đồng thời là một dung môi
tốt cho nhiều chất như Iôt (I 2), lưu huỳnh (S), chất béo...,t 0s= 80,1°C ở 1 at, đông đặc ở
t0đ=5,50C, tỷ khối d204= 0,879.

Page 5


Về mặt hóa học: Benzen là một hợp chất vòng bền vững, tương đối dễ tham gia
phản ứng thế, khó tham gia các phản ứng cộng, OXH. Đặc tính hóa học này gọi là tính
thơm.
Về ứng dụng: dùng điều chế nitro benzen, anilin, tổng hợp phẩm nhuộm, dược
phẩm..., Clobenzen là dung môi tổng hợp DDT, hexacloaran (thuốc trừ sâu)
Stiren (monome để tổng hợp chất dẻo) và nhiều sản phẩm quan trọng khác... Benzen
còn được dùng làm dung môi...
Nguồn cung cấp Benzen cho công nghiệp là nhựa chưng cất, than đá, hexan và
toluen của dầu mỏ. Khi nung than béo ở nhiệt độ cao để luyện than cốc được nhựa than
đá. Trong nhựa than đá có chứa rất nhiều các chất hữu cơ khác nhau khi chưng cất
phân đoạnthu được Benzen.

Page 6


Hình 1.1.2:sáp có chứa benzene
Cả acid axetic và Benzen đều đóng vai trò quan trọng trong công nghiệp hóa học.
1.2: Tổng quan về chưng luyện
1.2.1: Định nghĩa chưng luyện:
Chưng luyện liên tục hỗn hợp acid axetic-benzen trong công nghệ hóa học có
nhiều phương pháp để phân riêng hỗn hợp hai hay nhiều cấu tử tan một phần hay hoàn
toàn vào nhau như : hấp thụ, hấp phụ, li tâm, trích li, chưng...Mỗi phương pháp đều có
những đặc thù riêng và những ưu nhược điểm nhất định. Việc lựa chọn phương pháp
và thiết bị cho phù hợp tuỳ thuộc vào hỗn hợp ban đầu, yêu cầu sản phẩm và điều kiện
kinh tế. Đối với hỗn hợp acid axetic-Benzen là hỗn hợp hai cấu tử tan hoàn toàn vào
nhau theo bất kỳ tỷ lệ nào có nhiệt độ sôi khác biệt nhau thì phương án tối ưu để tách

hỗn hợp trên là chưng luyện.
Chưng luyện là phương pháp tách cấu tử ra khỏi hỗn hợp lỏng đồng nhất dựa vào
độ bay hơi khác nhau giữa các cấu tử (nghĩa là ở cùng một nhiệt độ áp suất hơi của các
cấu tử sẽ khác nhau) bằng cách thực hiện quá trình chuyển pha và trao đổi nhiệt giữa
hai pha lỏng, khí. Khi chưng luyện hai hay nhiều cấu tử ta chỉ thu được hai sản phẩm.
Nếu xét hệ đơn giản chỉ có 2 hệ cấu tử thì ta thu được 2 sản phẩm: Sản phẩm đỉnh thu
được gồm cấu tử có độ bay hơi lớn, một phần cấu tử có độ bay hơi thấp hơn. Còn sản
phẩm đáy thu được chủ yếu là cấu tử khó bay hơi và một phần cấu tử dễ bay hơi. Ở đây
dung môi và chất tan đều bay hơi.
1.2.2: Các phương pháp chưng luyện:
Được phân loại theo:
Áp suất làm việc: chưng cất áp suất thấp, áp suất thường và áp suất cao. Nguyên
tắc của phương pháp này là 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.

Page 7


Chưng luyện ở áp suất chân không dùng cho hỗn hợp lỏng dễ bị phân hủy ở nhiệt
độ cao và các hỗn hợp có nhiệt độ sôi quá cao.
Chưng luyện ở áp xuất thường áp dụng cho hệ lỏng có nhiệt độ sôi trung bình.
Chưng luyện ở áp suất cao áp dụng cho hệ khí cò nhiệt độ sôi thấp.
Nguyên lý làm việc: liên tục, gián đoạn(chưng đơn giản).
Chưng cất đơn giản (gián đoạn): phương pháp dùng để tách sơ bộ và làm sạch
các cấu tử khỏi tạp chất (yêu cầu các cấu tử có độ bay hơi khác xa nhau), đuợc sử dụng
trong các trường hợp sau:
•
•
•
•

Khi nhiệt độ sôi của các cấu tử khác xa nhau.
Không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao.
Tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi.
Tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử.

Chưng cất hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục) là quá trình được
thực hiện liên tục, nghịch dòng, nhều đoạn.
Phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp: cấp nhiệt trực tiếp bằng hơi nước: thường
được áp dụng trường hợp tách các hỗn hợp gồm các chất khó bay hơi và tạp chất không
bay hơi, hợp chất được tách không tan trong nước.
Chưng chân không: trong trường hợp cần hạ thấp nhiệt độ sôi của cấu tử.
Vậy: đối với hệ acid axetic-benzen, ta chọn phương pháp chưng luyện liên tục
cấp nhiệt gián tiếp bằng nồi đun ở áp suất thường.
Chưng luyện: là phương pháp phổ biến nhất dùng để tách hoàn toàn hỗn hợp
các cấu tử dễ bay hơi có tính chất hòa tan một phần hay hòa tan hoàn toàn vào nhau.
Về thực chất đây là quá trình chưng nhiều lần để thu được sản phẩm tinh khiết.Người
ta đơn giản hệ thống bằng cách thay cả hệ thống sơ đồ thiết bị phải chế tạo phức tạp và
cồng kềnh bởi một tháp gọi là tháp chưng luyện. Trong đó các dòng pha chuyển động
ngược chiều nhau.

Page 8


Quá trình chưng luyện được thực hiện trong thiết bị loại tháp làm việc liên tục
hay gián đoạn. Có hai loại thiết bị tháp là tháp đệm và tháp đĩa.
Trong đó:
Tháp đệm là một tháp hình trụ gồm nhiều đoạn nối với nhau bằng mặt bích hay
hàn. Trong tháp người ta đổ đầy đệm, tháp đệm được ứng dụng rộng rãi trong công
nghệ hóa học để hấp thụ, chưng luyện, làm lạnh. Tháp đệm có thể làm việc ở áp suất

thường, áp suất chân không, làm việc theo phương thức tiếp xúc liên tục.
Ưu điểm: Cấu tạo đơn giản, trở lực thấp có bề mặt tiếp xúc pha lớn, do đó hiệu
xuất phân tách rất cao. đệm có nhiều loại có kích thước khác nhau, khi kích thước càng
nhỏ thì tăng bề mặt tiếp xúc làm tăng trở lực nên hơi qua khó nhưng triệt để, ngược lại.
Nhược điểm:khó làm ướt đều đệm, Nếu tháp quá cao thì phân phối chất lỏng
không đồng đều. Để khắc phục, chia đệm thành nhiều tầng có đặt thêm đĩa phân phối
chất lỏng đối với mỗi tầng. . .nhưng nâng xuất thấp vì trong tháp phần lớn thể tích đệm
chiếm phần lớn.ngoài ra có độ ổn định kém và thiết bị nặng.
Tháp đĩa đục lổ có ống chảy chuyền: là tháp đĩa lưới hình trụ, bên trong có
nhiều đĩa lưới hay lỗ và trên đĩa có đục nhiều lỗ tròn, vị trí các lỗ có đường kính 312mm được bố trí trên các đỉnh tam giác, bước lổ bằng 2,5 đến 5 lần đường kính.
Ưu điểm: hiệu xuất tương đối cao, hoạt động khá ổn định, làm việc với chất lỏng
bẩn.
Nhược điểm: trở lực khá lớn, yêu cầu lắp đặt khắt khe lắp đĩa thật phẳng.
Tháp đĩa chop (có ống chảy chuyền): gồm nhiều tầng đĩa, trên mổi đĩa có lắp
nhiều chóp, chóp dạng tròn hay một dạng khác,có rãnh xung. Giữa chóp có ống hơi để
hơi đi lên đồng thời trên đĩa có ống chảy chuyền để lỏng đi xuống.tháp đĩa làm việc
theo phương thức tiếp xúa từng bậc.

Page 9


Ưu điểm: hiệu xuất cao và làm việc ổn định.
Nhược điểm: cấu tạo phức tạp, không làm việc với chất lỏng bẩn và trở lực lớn.
 Nhận xét: tháp đĩa đục lỗ là trạng thái trung gian giữa tháp đệm và tháp đĩa chóp. Nên

ta chọn tháp chưng luyện là tháp đĩa đục lỗ.
Vậy: Chưng luyện hỗn hợp acid axetic-benzen ta dùng tháp đĩa đục lỗ hoạt động
liên tục ở áp suất thường, cấp nhiệt gián tiếp ở đáy tháp.
1.3. BIỆN LUẬN CHO SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ
1.3.1: Biện luận các thông số nhiệt độ:

Nhiệt độ lưu trữ của hỗn hợp nguyên liệu đầu nhỏ hoặc lớn hơn nhiệt độ của môi
trường thì phải tốn một lượng chi phí để gia nhiệt hoặc làm mát. Cụ thể là trong trường
hợp nhỏ hơn nhiệt độ của môi trường thì cần phải tốn một lượng hơi đốt để gia nhiệt
cho dung dịch, ngược lại phải tốn một lượng nước lạnh để làm nguội dung dịch vì v ậy
ta chọn nhiệt độ lưu trữ hỗn hợp nguyên liệu đầu là nhiệt độ môi trường khoảng 29ᵒC.
Nhiệt độ điểm sôi là nhiệt độ mà hỗn hợp bắt đầu sôi (trong quá trình sôi nhiệt độ
điểm sôi sẻ tăng lên).
Nhiệt độ điểm sôi: Trước khi đi vào tháp, hỗn hợp nguyên liệu sẽ được gia nhiệt
đến nhiệt độ điểm sôi. Nhiệt độ điểm sôi cao hay thấp phụ thuộc vào nguyên liệu và
nồng độ ban đầu của hỗn hợp nguyên liệu trước khi vào tháp, với hệ acid axetic-benzen
có nồng độ ban đầu XF = 40%, ta có nhiệt độ sôi của hỗn hợp sẽ là 90,3ᵒC ( Sổ tay quá
trình thiết bị -tang149).
Nhiệt độ sôi là nhiệt độ dùng cho một chất nguyên chất( trong quá trình sôi nhiệt
độ sôi không đổi).

Page 10


Nhiệt độ ngưng tụ(hơi-lỏng) ở đỉnh tháp là nhiệt độ sôi của cấu tử dể bay hơi, ở
đây là nhiệt độ của benzene là 80,1ᵒC.
Nhiệt độ sôi ra ở đáy tháp là nhiệt độ sôi của cấu tử khó bay hơi ứng với nhiệt độ
sôi của acid axetic đã nêu ở phần tính chất vật lý là 118ᵒC.
Nhiệt độ điểm sương là nhiệt độ tại đó giọt lỏng đầu tiên xuất hiện.
1.3.2: Quy tắc làm việc:
Hỗn hợp acid axetic_ Benzen là một hỗn hợp lỏng hòa tan hoàn toàn vào nhau
theo mọi tỷ lệ. Ta có ts acid axetic=118 ᵒC > tS Benzen = 80.1ᵒC nên độ bay hơi của benzen
lớn hơn độ bay hơi của acid axetic. Vậy nên sản phẩm đáy chủ yếu là acid axetic và
một phần rất ít benzen, ngược lại sản phẩm đỉnh lại chủ yếu là benzen và một phần rất
ít là acid axetic.
1.3.3: Cấu tạo và Sơ đồ công nghệ:

Hệ thống thiết bị công nghệ chưng luyện liên tục tổng quát gồm có :
Tháp chưng luyện gồm có 2 phần: phần trên gồm từ trên đĩa tiếp liệu trở lên đỉnh
gọi là đoạn luyện, phần dưới gồm từ đĩa tiếp liệu trở xuống gọi là đoạn chưng.Thiết bị
đun nóng dùng để đun nóng hỗn hợp đầu: Sử dụng thiết bị loại ống chùm, dùng hơi
nước bão hoà để đun nóng vì nó có hệ số cấp nhiệt lớn, ẩn nhiệt ngưng tụ cao. Hơi
nước bão hoà đi ngoài ống, lỏng đi trong ống.Thùng cao vị. Bộ phận đun bốc hơi đáy
tháp, có thể đặt trong hay ngoài tháp. Ở đây ta cũng sử dụng hơi nước bão hoà để đun
với hơi đi trong ống lỏng đi ngoài ống. Thiết bị ngưng tụ hoàn toàn, nước lạnh đi trong
ống.Thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh.Thùng chứa sản phẩm đỉnh.Thùng chứa sản phẩm
đáy.Thùng chứa hỗn hợp đầu.ở đây Sử dụng máy bơm ly tâm vì Máy bơm ly tâm khá
đa dạng nó có thể bơm nhiều chất lỏng khác nhau từ nước tới xăng dầu cho tới các hỗn

Page 11


hợp chất lỏng và chất rắn. Hiêu suất làm việc của máy bơm khá khỏe và tương đối cao,
máy có chi tiết phù hợp với công việc di chuyển.

1- Thùng chứa hỗn hợp đầu

2- Bơm

3- Thùng cao vị

4- Thiết bị gia nhiệt hỗn hợpđầu

5- Tháp chưng luyện

6- Thiết bị ngưng tụ hồi lưu

7- Thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh

8- Thùng chứa sản phẩm đỉnh

9- Thiết bị gia nhiệt đáy tháp

10- Thùng chứa sản phẩm đáy

11- Thiết bị tháo nước ngưng

Page 12


Page 13


1.3.4: thuyết minh sơ đồ công nghệ:
Hỗn hợp đầu acid axetic-benzen từ thùng chứa (1) được bơm (2) bơm liên tục lên
thùng cao vị (3). Sự có mặt của thùng cao vị đảm bảo cho lượng hỗn hợp đầu vào tháp
không dao động, trong trường hợp công suất bơm quá lớn hỗn hợp đầu sẽ theo ống
tuần hoàn tràn về bể chứa hỗn hợp đầu. Từ thùng cao vị, hỗn hợp đầu (được điều chỉnh
nhờ van và lưu lượng kế) qua thiết bị đun nóng dung dịch (4), tại đây dung dịch được
gia nhiệt bằng hơi nước bão hoà đến nhiệt độ điểm sôi. Sau đó, dung dịchra khỏi thiết
bị đun nóng và được đưa vào tháp chưng luyện tại vị trí đĩa tiếp liệu.
Do dung dịch đã dược đun nóng đến nhiệt độ điểm sôi nên tại đây benzene thực
hiện quá trình chuyển khối từ pha lỏng sang pha hơi và tiến về đỉnh tháp. Acid axetic là
cấu tử khó bay hơi, ở nhiệt độ này nó vẫn đang ở thể lỏng và phân phối xuống dưới đáy
tháp. Như vậy, ở trong tháp hơi benzene xuyên qua các lỗ đĩa đi từ dưới lên tiếp xúc
với lỏng acid-axetic đi qua các lỗ đĩa rơi xuống, qua mổi lần tiếp xúc giữa lỏng hơi ở
các tầng đĩa thì nồng độ cấu tử nhẹ tăng lên đồng thời nồng độ của dung dịch giảm

xuống. Theo chiều cao tháp nhiệt độ cấu tử dễ bay hơi giảm dần và ngược lại nhiệt độ
cấu tử khó bay hơi tăng dần. Cuối cùng, ở đỉnh tháp ta sẽ thu được giàu cấu tử dễ bay
hơi(benzene) còn ở đáy tháp ta sẽ thu được hỗn hợp lỏng có thành phần cấu tử khó bay
hơi(acid axetic). Để tăng khả năng tách và duy trì pha lỏng trong các đĩa ở đoạn luyện
bằng cách người ta bổ sung bằng dòng hồi lưu được ngưng tụ từ hơi đỉnh tháp. Hơi
đỉnh tháp được ngưng tụ nhờ thiết bị ngưng tụ hoàn toàn (6), dung dịch lỏng thu được
sau khi ngưng tụ một phần được dẫn hồi lưu trở lại đĩa luyện trên cùng để duy trì pha
lỏng trong các đĩa đoạn luyện, phần còn lại được đưa qua thiết bị làm lạnh (7) để đi vào
bể chứa sản phẩm đỉnh (8). Chất lỏng ở đáy tháp được tháo ra ở đáy tháp, đưa vào thiết
bị đun sôi lại(9). 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 đưa vào bồn chứa sản
phẩm đáy(10).Ở đây sử dụng thiết bị đun sôi lại nhằm tách triệt để cấu tử nhẹ(benzene)

Page 14


và thu được sản phẩm có độ tinh khiết cao(acid axetic), ngược lại sử dụng thiết bị
ngưng tụ nhằm tách triệt để cấu tử nặng(acid axetic) để thu được sản phẩm có độ tinh
khiết cao(benzene).
Nước ngưng của các thiết bị gia nhiệt được tháo qua thiết bị tháo nước ngưng
(11). Để tiết kiệm hơi đốt người ta có thể dùng hơi ở đỉnh tháp để đun nóng hỗn hợp
ban đầu.
Như vậy, thiết bị làm việc liên tục (hỗn hợp đầu đưa vào liên tục và sản phẩm
cũng được lấy ra liên tục).

Page 15


CHƯƠNG 2. TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT
2.1. Các thông số

Gọi:
•
•
•
•
•
•

N: lưu lượng mol
G: lưu lượng khối lượng
a: nồng độ phần khối lượng
x: nồng độ phần mol
V: lưu lượng thể tích
v: nồng độ phần thể tích
Gọi:

•

GF, GP, GW lần lượt là lưu lượng khối lượng của hỗn hợp nguyên liệu đầu, sản phẩm

đỉnh và sản phẩm đáy.
• aF, ap, aw lần lượt là nồng độ phần khối lượng ủa hỗn hợp nguyên liệu đầu, sản phẩm
đỉnh và sản phẩm đáy.
• NF, NP, NW lần lượt là lưu lượng mol của hỗn hợp nguyên liệu đầu, sản phẩm đỉnh và
sản phẩm đáy.
• xF, xp, xw lần lượt là nồng độ phần mol của hỗn hợp nguyên liệu đầu, sản phẩm đỉnh và
sản phẩm đáy.
• VF, Vp, VW: lần lượt là lưu lượng thể tích của hỗn hợp nguyên liệu đầu, sản phẩm đỉnh,
•

sản phẩm đáy.
vF, vp. vw: lần lượt là nồng độ phần thể tích của hỗn hợp nguyên liệu đầu, sản phẩm

đỉnh, sản phẩm đáy
• PF, PP, PW: Lần lượt là khối lượng riêng của hỗn hợp nguyên liệu đầu, sản phẩm đỉnh,
sản phẩm đáy tháp.
Quy ước:
A: là cấu tử nhẹ (benzen)
B: là cấu tử nặng (acid axetic)

Page 16


Trong hỗn hợp acid axetic-benzen thì benzen là cấu tử dể bay hơi, acid axetic là
cấu tử khó bay hơi, ta có:
MA=78 kg/mol
MB=60 kg/mol
Theo đề bài đã cho thì ta có:
GF=550 kg/h
xF=40%mol=0.4mol
xP=95%mol=0.95mol
xW=0.5%mol=0.005mol
Từ chương 1 ta có:
Nhiệt độ điểm sôi=90.3°c
Nhiệt độ sôi ở đỉnh tháp=80.1°c
Nhiệt độ sôi của đáy tháp=118°C
2.2. Tính cân bằng vật liệu theo lưu lượng khối lượng
Ta có phương trình cân bằng vật liệu cho toàn tháp:

GF = GP+ GW (1)

Phương trình cân bằng vật liệu riêng phần viết cho cấu tử dể bay hơi(benzen) :
GF* aF = GP* ap + GW* aW (2)
Tử 1,2 ta có hệ phương trình:

G F = GP+ GW
GF* aF = GP* ap + GW* aW

Page 17

(3)


Từ giả thiết ta có nồng độ phần mol nên suy ra được nồng độ phần khối lượng
Nồng độ phần khối lượng của các cấu tử trong pha lỏng, hơi ở hỗn hợp nguyên liệu
đầu, sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy:
aFA=(xFA*MA)/( xFA*MA+((1-xFA)*MB)) = 0.4*78/(0.4*78+(0.6*60)) =0.464%
aFB=1- aFA=1- 0.464= 0.536 %
apA=(xpA*MA)/( xpA*MA+((1-xpA)*MB))= 0.95*78/(0.95*78+(0.05*60)) =0.961%
apB=1- apA=1- 0.961= 0.039%
awA=(xwA*MA)/(

xwA*MA+((1-xwA)*MB))=

0.005*78/(0.005*78+(0.995*60))

=6.49*10-3 %
awB=1- awA=1-6.49*10-3=0.99351%
Sau khi đã biết được nống độ phần mol của cấu tử nhẹ (benzen) trong hỗn hợp nguyên
liệu đầu, sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy thế vào(3) ta được hệ:
GP+ GW=550

0.961GP+ 6.49*10-3GW=550*0.464
Giải hệ phương trình ta có được:

Gp = 263.62(kg/h)

GW= 286.38(kg/h)
Vậy ta có được lưu lượng khối lượng của sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy lần lượt
là: 263.62(kg/h), 286.38(kg/h).
Dựa vào nồng độ phần khối lượng của từng cấu tử, lưu lượng khối lương có trong
hỗn hợp nguyên liệu đầu, sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy vừa mới tính được có để tính
lưu lượng khối lượng từng cấu tử như sau:

Page 18


GFA= aFA* GF=0.464*550= 255.2 (kg/h)
GFB= aFB* GF=0.536 *550=294.8(kg/h)
GPA= apA* Gp = 0.961 *263.62= 253.34(kg/h)
GPB= apB* Gp =0.039*263.62=10.28 (kg/h)
GWA= awA* GW= 6.49*10-3 *286.38=1.86 (kg/h)
GWB= awB* GW=0.99351 *286.38=284.52 (kg/h)
Bảng 2.2: Cân bằng vật liệu theo lưu lượng khối lượng(G)
Vị trí tính toán

A

B

Tổng cộng

aF % khối lượng

0.464

0.536

1

GF kg/h

255.2

294.8

550

ap % khối lượng

0.961

0.039

1

Gp kg/h

253.34

10.28

263.62

aW % khối lượng

6.49*10-3

0.99351

1

GW kg/h

1.86

284.52

286.38

Page 19


2.3. Tính cân bằng vật liệu theo lưu lượng mol
Có 2 cách để tính:
Cách 1: Tính cân bằng vật liệu theo lưu lượng khối lượng
Áp dụng công thức: N=G/M

NF=GF/MF

Lưu lượng mol hỗn hợp đầu:
Từ khối lượng mol và nồng độ phần mol của từng cấu tử của hỗn hợp nguyên liệu

đầu ta tính được khối lượng mol ở hỗn hợp nguyên liệu đầu:
MF=MA*xFA

+

MB*xFB = MA*xFA

+

MB*(1- xFA) = 78*0.4+60*(1-

0.4)=67.2(kg/mol)
Vậy ta có lưu lượng mol ở hỗn hợp nguyên liệu đầu là:
NF=GF/MF= 550/67.2=8.185(kmol/h)
Từ lưu lượng mol đã tính ở trên và nồng độ phần mol của từng cấu tử trong hỗn
hợp nguyên liệu đầu đã biết, tính được lưu lượng mol của từng cấu tử trong hỗn hợp
nguyên liệu đầu:
NFA= NF*xFA=8.185*0.4=3.274 (kmol/h)
NFB= NF*(1-xFA) = 8.185 *(1-0.4)=4.911(kmol/h)
Vậy lưu lượng mol của benzen và acid axetic trong hỗn hợp nguyên liệu đầu lần
lượt là: 3.274 (kmol/h), 4.911(kmol/h).
Lưu lượng mol sản phẩm đỉnh:
Từ khối lượng mol và nồng độ phần mol của từng cấu tử trong sản phẩm đỉnh ta
tính được khối lượng mol ở sản phẩm đỉnh:

Page 20


MP=MA*xPA

+

MB*xPB = MA*xPA

+

MB*(1- xPA) = 78*0.95+60*(1-

0.95)=77.1(kg/mol)
Vậy ta có lưu lượng mol của sản phẩm đỉnh là:
NP=GP/MP= 263.62 /77.1 =3.42(kmol/h)
Từ lưu lượng mol đã tính ở trên và nồng độ phần mol của từng cấu tử ở sản phẩm
đỉnh, tính được lưu lượng mol của từng cấu tử ở sản phẩm đỉnh:
NPA= NP*xPA=3.42*0.95=3.249 (kmol/h)
NPB= NP*(1-xPA) =3.42*(1-0.95)=0.171 (kmol/h)
Vậy lưu lượng mol của benzen và acid axetic trong sản phẩm đỉnh lần lượt là:
3.249 (kmol/h), 0.171 (kmol/h).
Lưu lượng mol của sản phẩm đáy:
Từ khối lượng mol và nồng độ phần mol của từng cấu tử có trong sản phẩm đáy ta
tính được khối lượng mol ở sản phẩm đáy:
MW=MA*xWA + MB*xWB = MA*xWA + MB*(1- xWA) = 78*0.005 +60*(1-0.005)=
60.1(kg/mol)
Vậy ta có lưu lượng mol ở sản phẩm đáy là:
NW=GW/MW=286.38 /60.1 =4.77(kmol/h)
Từ lưu lượng mol đã tính ở trên và nồng độ phần mol của từng cấu tử ở sản phẩm
đỉnh, tính được lưu lượng mol của từng cấu tử ở sản phẩm đỉnh:
NWA= NW*xWA=4.77 *0.005 =0.024(kmol/h)
NWB= NW*(1-xWA) =4.77 *(1-0.005 )=4.75(kmol/h)

Page 21

Vậy lưu lượng mol của benzen và acid axetic trong sản phẩm đáy lần lượt là:
0.024(kmol/h), 4.75(kmol/h).
Cách 2: Tính cân bằng vật liệu theo phương trình cân bằng liệu
Lưu lượng mol của hỗn hợp nguyên liệu đầu đã tính được ở cách 1 và nồng độ phần
mol đã biết nên ta có hệ:
NF= NP+ NW
NF*xF = NP*xp+ NW*xW

NP+ NW =8.185
0.95NP+0.005 NW=8.185*0.4

Giải hệ ta được:
N P=3.42(kmol/h)
N W = 4.77(kmol/h)
Vậy lưu lượng mol của hỗn hợp nguyên liệu đầu, sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy
lần lượt là: 8.185(kmol/h), 3.42(kmol/h) và 4.77(kmol/h).

Page 22


Bảng2.3: cân bằng vật liệu tính theo lưu lượng mol(N)
Vị trí tính toán

A

B

Tổng cộng

xF :% mol

0.4

0.6

1

NF:kmol/h

3.274

4.911

8.185

xp:% mol

0.95

0.05

1

NP:kmol/h

3.249

0.171

3.42

xW:% mol

0.005

0.995

1

NW:kmol/h

0.024

4.75

4.77

2.4. Cân bằng vật liệu theo lưu lượng thể tích
Áp dụng công thức: Vhh=Ghh/Phh
Gọi :

PA: khối lượng riêng của benzen
PB: khối lượng riêng của acid axetic

Dựa vào bảng trong sổ tay quá trình thiết bị -tập 1 và theo phương pháp nội suy ta
tinh được:
Bảng 2.4.1: khối lượng riêng của benzen và acid axetic
Nhiệt độ °c

90.3

80.1

118

PA kg/m3

800,538

814,888

772,975

PB kg/m3

964,75

980,875

935,5

Lưu lượng thể tích của hỗn hợp nguyên liệu đầu:
Ta có:
VF=GF/PF
PF= PA* aF+PB*(1- aF)= 800,538 *0.464+964,75*(1- 0.464 )=888,56(kg/m3)

Page 23

VFA= GFA/PA=255.2 /800,538 =0,32(m3/h)
VFB= GFB/PB=294.8/964,75=0,3(m3/h)
Lưu lượng thể tích của từng cấu tử trong hỗn hợp đầu:
vFA= VFA/ VF=0,32 /0,62 =0,516( phần thể tích)
vFB= VFB/ VF=0,3 /0,62=0,484 ( phần thể tích)
Lưu lượng thể tích của hỗn hợp sản phẩm đỉnh(P):
Pp= PA* ap+PB*(1- ap)= 814,888*0.961 +980,875*(1-0.961 )=821,36 (kg/m3)
Vp=Gp/Pp=263.62/ 821,36 =0,32(m3/h)
VpA= GpA/PA=253.34/814,888= 0,31(m3/h)
VpB= GpB/PB=10.28 /980,875 =0,01(m3/h)
Lưu lượng thể tích của từng cấu tử trong sản phẩm đỉnh:
vpA= VpA/ Vp=0,31 /0,32 =0,969( phần thể tích)
vpB= VpB/ Vp=0,01/0,32 =0,031( phần thể tích)
Lưu lượng thể tích của hỗn hợp sản phẩm đáy:
PW= PA* aW+PB*(1- aW)= 772,975 *6.49*10-3
=934,45(kg/m3)
VW=GW/PW=286.38/ 934,45 =0,3065(m3/h)
VWA= GWA/PA=1.86 /772,975 =2,4*10-3(m3/h)
VWB= GWB/PB=284.52 /935,5 =0,3041(m3/h)
Lưu lượng thể tích của từng cấu tử trong sản phẩm đáy:

Page 24

+935,5 *(1-6.49*10-3

)


vWA= VWA/ VW=2,4*10-3 /0,3065=7,83*10-3( phần thể tích)

vWB= VWB/ VW=0,3041 /0,3065=0,99217( phần thể tích)
Bảng 2.4.2: Cân bằng vật liệu theo lưu lượng thể tích
Vị trí tính toán

A

B

Tổng cộng

VF(m2/h)

0,32

0,3

0,62

vF(phần thể tích)

0,516

0,484

1

Vp(m2/h)

0,31

0,01

0,32

vp(phần thể tích)

0,969

0,031

1

VW(m2/h)

2,4*10-3

0,3041

0,3065

vW(phần thể tích)

7,83*10-3

0,99217

1

Bảng 2. Tổng hợp cân bằng vật chất
Các thông số

Nguyên liệu đầu F

Sản phẩm đỉnh P

Sản phẩm đáy W

G, kg/h

550

263.62

286.38

a, phần khối lượng

1

1

1

N, kmol/h

8.185

3.42

4.77

x, phần mol

1

1

1

P, kg/m3

888,56

821,36

934,45

V, m3/h

0,62

0,32

0,3065

v, phần thể tích

1

1

1

2.5:Xác định số đĩa thực tế theo phương pháp đồ thị:
2.5.1:Vẽ đường cong cân bằng lỏng hơi y-x và đồ thị t-x-y theo thực nghiệm
T, °c

118.

111.

105.

99

94

90.

Page 25

88

85.

83.

82

85.

80.

80