thiết kế hệ thống chưng luyện tháp mâm xuyên lổ có ống chảy chuyền với hệ benzen toluen

LỜI MỞ ĐẦU
Trải qua hàng mấy nghìn năm, con người đã không ngừng nổ lực để tìm kiếm các hóa
chất hóa học khác nhau phục vụ cho nhu cầu phát triển của xã hội. Trong suốt chặng đường
gian nan đó, rất nhiều hóa chất được phát hiện nhưng phần lớn chúng tồn tại ở dạng hỗn hợp
và không đem đến ứng dụng gì đáng kể cho thực tiễn. Tuy nhiên, qua quá trình nghiên cứu
cho thấy rằng nếu tách hỗn hợp đó thành từng cấu tử riêng biệt có độ tinh khiết cao thì rất
nhiều lợi ích được mang lại. Điều này dẫn đến sự ra đời của ngành công nghệ sản xuất hóa
chất mà điển hình là chưng luyện. Nếu như nói ngành công nghệ sản xuất là một cơ thể hoàn
chỉnh thì chưng luyện là một bộ phận của cơ thể đó. Chưng luyện là một quá trình quan
trọng trong sản xuất công nghiệp dùng để nâng cao nồng độ dung dịch, được ứng dụng rộng
rãi trong sản xuất cồn công nghiệp, sản xuất axit sunfuaric,... So với nhiều phương pháp như
trích ly, cô đặc, hấp thụ,... thì chưng luyện là phương pháp đơn giản, ít tốn kém và hiệu quả
cao. Sản phẩm sau chưng luyện có vai trò quan trọng, là nguyên liệu cần thiết phục vụ cho
phòng thí nghiệm và các ngành sản xuất hóa chất khác nhau.
Xét hệ gồm benzen và toluen, thực tế chúng tồn tại ở dạng hợp chất và không có ứng
dụng gì trong sản xuất, tuy nhiên nếu bằng cách nào đó có thể tách được benzen và toluen ra
khỏi hợp chất trên thì lợi ích mà chúng mang lại là rất lớn. Benzen là hợp chất mạch vòng, ở
dạng lỏng không màu, có mùi thơm nhẹ, dễ bay hơi, dễ cháy và nhẹ hơn nước. Đặc biệt,
benzen là một dung môi hòa tan rất tốt được nhiều chất như mỡ, cao su, hắc ín,... Một trong
những ứng dụng thực tế dễ thấy của benzen là sản xuất vecni, sơn, sáp thơm.

Toluen là một hợp chất mạch vòng, ở dạng lỏng và có tính thơm, không phân cực và do
đó nó tan tốt trong benzen. Toluen ít độc nên nó được làm dung môi được sử dụng nhiều
trong phòng thí nghiệm và trong công nghiệp.
Từ những ứng dụng quan trọng đó cho thấy vai trò thiết yếu của benzen và toluen trong
đời sống, đồng thời dựa trên đặc tính của hệ benzen - toluen là hai cấu tử hòa tan lẫn nhau và
có nhiệt độ sôi khác xa nhau, benzen sôi ở 80,1ᵒC trong khi toluen có nhiệt độ sôi lên đến
110,6ᵒC; khoảng chênh lệch nhiệt độ sôi là khá lớn lên đến 30,5ᵒC. Vì vậy, đây là điều kiện
thuận lợi để áp dụng phương pháp chưng luyện tách hỗn hợp benzen-toluen thành từng cấu
1

tử riêng biệt. Sau chưng luyện thu được sản phẩm có độ nồng độ đậm đặc cao, sản phẩm
đỉnh giàu cấu tử benzen dễ bay hơi và sản phẩm đáy giàu cấu tử toluen khó bay hơi.
Nhận thấy được tầm quan trọng không thể thiếu của benzen, toluen tinh khiết và kết
hợp với những ưu điểm vốn có của phương pháp chưng luyện đã nêu nên tôi chọn đề tài là:
Tính toán và thiết kế hệ thống chưng luyện hệ benzen - toluen hoạt động liên tục với năng
suất nhập liệu là Gđ= 600kg/h có nồng độ x F= 7% mol benzen, thu được sản phẩm đỉnh có
nồng độ xP= 96% mol benzen và sản phẩm đáy xW= 2% mol benzen.
Với đề tài như trên, đồ án có 3 phần:
Chương 1: Tổng quan lý thuyết. Ở chương này tôi sẽ giới thiệu về chưng luyện và trình
bày các tính chất của nguyên liệu, sản phẩm.
Chương 2: Cân bằng vật chất. Tính cân bằng vật chất trong phân xưởng, nhà máy.
Chương 3: Cân bằng năng lượng. Dành để tính lượng nhiệt tiêu hao ở mỗi phân xưởng.

2


Chương 1: Tổng quan lý thuyết
1.1 Tổng quan về nguyên liệu và sản phẩm
1.1.1 Benzen
Benzen là một hợp chất mạch vòng, ở dạng lỏng không màu và có mùi thơm nhẹ.
Công thức phân tử của benzen là C6H6.
Công thức cấu tạo của benzen:

Benzen không phân cực, vì vậy nó tan tốt trong các dung môi hữu cơ không phân cực và
tan rất ít trong nước. Trước đây thường sử dụng benzen làm dung môi; tuy nhiên về sau
người ta phát hiện ra benzen rất độc, nồng độ benzen trong không khí chỉ cần thấp
khoảng 1ppm cũng có khả năng gây bệnh bạch cầu, nên ngày nay benzen được sử dụng
hạn chế hơn.
Các tính chất vật lí của benzen:

Khối lượng phân tử: 78,1121 g/mol
Tỉ trọng (ở 20ᵒC): 0,879
Nhiệt độ sôi: 80,1ᵒC
Nhiệt độ nóng chảy: 5,5ᵒC
Độ hòa tan ( ở 25ᵒC): 1,79 g/l
Tính chất hóa học của benzen: Benzen là một hợp chất vòng bền vững, dễ tham gia phản
ứng thế nhưng khó tham gia phản ứng cộng và phản ứng oxy hóa. Đặc tính này gọi là
tính thơm.
• Ứng dụng của benzen: Benzen có nhiều ứng dụng trong thực tế
• Chất dẻo
•
•
•
•
•
•
•

•

Dược phẩm

3


•
•
•
•

Phẩm nhuộm
Dung môi
Nhiên liệu
Thuốc trừ sâu

•

Xăng, sơn.

1.1.2 Toluen (phenylmetan, toluol)
Là một hợp chất mạch vòng, ở dạng lỏng và có tính thơm. Toluen còn có tên gọi là
phenylmetan hay toluol.
Công thức phân tử là C7H8 tương tự như benzen có gắn thêm nhóm −CH3.

Công thức cấu tạo:

Toluen 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.
•
•
•
•

Các tính chất vật lí của toluen:
Là chất lỏng không màu, có thể cháy được, độ nhớt thấp.
Có mùi thơm giống benzen.
Là dung môi hòa tan tốt chất béo, dầu, nhựa thông, lưu huỳnh, photpho và iot.
Toluen có thể tan lẫn hoàn toàn vào với hầu hết các dung môi hữu cơ như rượu, ete,
xeton, phenol, este,...
4

•
•
•
•
•

Toluen rất ít tan trong nước, độ hòa tan vào nước của nó ở 160ᵒC là 0.047g/ 100ml, ở
150ᵒC là 0.4g/100ml.
Khối lượng phân tử: 92,13
Tỉ trọng (20ᵒC): 0,886
Nhiệt độ sôi: 110,6ᵒC
Nhiệt độ nóng chảy: -93ᵒC
Tính chất hóa học: Toluen có tính chất hóa học tương tự benzen.
Toluen tham gia phản ứng với brom khan, khí Clo, phản ứng nitro hóa, phản ứng cộng,
phản ứng oxy hóa nhóm metyl.
Ứng dụng: ngày nay thường được sử dụng thay benzen làm dung môi trong phòng thí
nghiệm và trong công nghiệp. Một số ứng dụng dễ thấy của benzen, toluen là sản xuất
nến, sơn.

1.1.3 Hỗn hợp benzen – toluen
Trong thực tế, ta thấy benzen và toluen khi khai thác lên thì chủ yếu tồn ở dạng hợp chất,
chúng hòa lẫn vào nhau và không mang lại ứng dụng gì thiết thực cho thực tế hoặc nếu có
thì rất ít. Vì vậy người ta đã dùng phương pháp chưng luyện dựa để tách riêng từng cấu
tử có độ tinh khiết cao để phục vụ cho nhiều ngành khác nhau như đã nêu ở phần ứng
dụng của benzen, toluen

Ta có bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Benzen – toluen ở
760 mmHg. (ST QTTB T2/146).

Qua bảng trên, ta thấy benzen và toluen có nhiệt độ sôi khác xa nhau nên việc áp
dụng chưng luyện để tách hai hỗn hợp này thành cấu tử riêng biệt là phù hợp.
1.2 Tổng quan về các phương pháp chưng luyện
1.2.1Định nghĩa chưng luyện
5


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 hoặc hòa tan hoàn toàn vào nhau.
Trong công nghệ hóa học để tách một hỗn hợp lỏng đồng thể gồm 2 cấu tử, tùy thuộc tính
chất vật lý của 2 cấu tử đó mà sử dụng một trong ba quá trình: Chưng luyện, trích ly, kết
tinh. Mỗi phương pháp đều có ưu nhược điểm đặc trưng. Nhưng có thể thấy rằng, chưng
luyện là phương pháp truyền chất đơn giản nhất, ít tốn kém nhất và luôn được xem xét
đầu tiên để tách một hỗn hợp gồm 2 cấu tử riêng biệt. Đối với hệ toluen – benzen là hỗn
hợp hai cấu tử hòa tan lẫn nhau và có nhiệt độ sôi khác xa nhau (khoảng cách nhiệt độ sôi
giữa toluen và benzen lên đến 30.6 ᵒC) nên việc lựa chọn chưng luyện là giải pháp tối ưu
nhất.
Sơ lược về quá trình chưng: Quá trình chưng bắt đầu được áp dụng với nền sản xuất rượu
từ thế kỷ 11. Ngày nay các hỗn hợp chất lỏng cần tách càng phong phú:
 Dầu mỏ, tài nguyên được khai thác ở dạng lỏng, 3 tỷ tấn/năm.
 Không khí hóa lỏng được chưng cất ở nhiệt độ −190ᵒC để sản xuất oxy và nitơ.
 Quá trình tổng hợp hữu cơ thường cho sản phẩm ở dạng hỗn hợp chất lỏng. Ví dụ

sản xuất methanol, etylen, propilen, butadien.
 Công nghệ sinh học thường cho sản phẩm là hỗn hợp chất lỏng như etylic, nước từ

quá trình lên men.
Quá trình chưng bao gồm chưng cất và chưng luyện. Chưng luyện dùng để tách hai sản
phẩm ra khỏi nhau, còn chưng cất dùng để tách riêng nhiều sản phẩm.
Khi chưng, thu được nhiều sản phẩm. Thường bao nhiêu cấu tử thì bấy nhiêu sản phẩm,

trường hợp có hai cấu tử ( chưng luyện) thì thu được:
Sản phẩm đỉnh gồm cấu tử dễ bay hơi và một phần cấu tử khó bay hơi
Sản phẩm đáy gồm chủ yếu cấu tử khó bay hơi và một phần cấu tử dễ bay hơi.
Đối với hệ benzen – toluen:
Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm benzen và một ít toluen.
Sản phẩm đáy chủ yếu là toluen và một ít benzen.
1.2.2 Phân loại các phương pháp chưng luyện:
 Phân loại theo áp suất làm việc:
• Chưng luyện ở áp suất chân không: dùng cho các hỗn hợp (hệ lỏng) dễ bị phân

hủy ở nhiệt độ sôi cao và các hỗn hợp có nhiệt độ sôi quá cao
6


•
•

•
•






•
•

Chưng luyện ở áp suất thường: áp dụng để chưng hệ lỏng có nhiệt độ sôi trung
bình

Chưng luyện ở áp suất cao: dùng cho các hỗn hợp không hóa lỏng ở nhiệt độ
thường , chưng hệ khí có nhiệt độ sôi thấp.
Phân loại theo nguyên lí làm việc:
Chưng luyện liên tục: quá trình chưng luyện được thực hiện liên tục, nghịch dòng,
nhiều đoạn.
Chưng luyện gián đoạn: dùng để tách sơ bộ và làm sạch các cấu (độ bay hơi của
các cấu tử phải khác xa nhau) tử ra khỏi tạp chất. Phương pháp này thường được
sử dụng 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
Theo phương pháp cấp nhiệt đáy tháp:
Cấp nhiệt trực tiếp bằng hơi nước: dùng để tách các hỗn hợp gồm các chất khó bay
hơi và tạp chất không bay hơi, hợp chất được tách không tan trong nước
Cấp nhiệt gián tiếp bằng nồi đun áp suất thường.

Vậy: Đối với hệ benzen – toluen là hỗn hợp lỏng có nhiệt độ sôi trung bình nên ta chọn
phương pháp chưng luyện liên tục cấp nhiệt liên tục bằng nồi đun ở áp suất thường.
Thiết bị chưng luyện
Trong sản xuất, người ta thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để tiến hành chưng
luyện. Tuy nhiên, yêu cầu cơ bản chung của các thiết bị vẫn giống nhau nghĩa là diện tích
tiếp xúc pha phải lớn. Điều này phụ thuộc vào mức độ phân tán của một 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 đệm, tháp đĩa, tháp phun,...
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 đệm: tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối với nhau bằng mặt bích hay hàn. Vật đệm
được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp sau: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự.
Tháp chóp:

7


 Cấu tạo:

Gồm nhiều tầng đĩa, mỗi đĩa có một chóp.
Giữa chóp có ống hơi để hơi đi lên
Trên đĩa có ống chảy chuyền để lỏng đi xuống. Ống chảy chuyền nằm ngoài tháp.
Tháp đĩa làm việc theo phương tiếp xúc từng bậc: nồng độ thay đổi qua các tầng đĩa theo
chiều cao của tháp.
 Đun nóng nguyên liệu đầu bằng điện trở, đun sôi ở đáy tháp bằng đầu gián tiếp.
 Tháp được cách nhiệt bằng ống thủy tinh bao ngoài và có lớp cách nhiệt Amiăng để
khống chế nhiệt độ không khí trong ống không đổi.
Chọn loại tháp: Để chọn loại tháp thích hợp dùng tách hệ benzen – toluen thì trước tiên
phải xem xét kĩ những ưu nhược điểm của các loại tháp





Bảng: So sánh ưu nhược điểm của các loại tháp
Ưu điểm

Nhược điểm

Tháp đệm
Cấu tạo đơn giản.
Trở lực thấp.
Bề mặt tiếp xúc pha
lớn.
Hiệu suất phân tách
cao và triệt để.
Có thể làm việc với
chất lỏng bẩn nếu dùng
đệm cầu có khối lượng
riêng xấp xỉ với khối
lượng riêng của chất
lỏng.
Khó làm ướt đều đệm.
Năng suất thấp.
Độ ổn định kém và
thiết bị nặng

8

Tháp đĩa (xuyên lỗ)
Hiệu suất tương đối
cao.
Hoạt động khá ổn định.
Trở lực tương đối thấp.

Tháp chóp
Hiệu suất cao.

Làm việc ổn định.
Chiều cao của tháp
không quá cao (số đĩa
cần dùng vẫn ít nhất có
thể so với các loại tháp
khác).

Không làm việc với Cấu tạo phức tạp, tiêu
chất lỏng bẩn.
tốn nhiều vật tư.
Yêu cầu lắp đặt khắt Trở lực lớn.
khe.
Lắp đĩa thật phẳng.


Khi thiết kế tháp chưng luyện, ta luôn mong muốn sản phẩm ra đạt nồng độ tinh khiết
cao, hiệu suất làm việc của tháp lớn đồng thời chi phí phải thấp nhất có thể. Ở đây, khi
phân tích ta thấy tháp chóp tuy có trở lực lớn, thiết bị phức tạp nhưng lại có ưu điểm hơn
hẳn là hiệu suất cao, làm việc ổn định. Hơn nữa, hệ benzen – toluen có nhiệt độ sôi khác
xa nhau, tức là chũng cũng dễ dàng tách riêng khi chưng luyện do đó việc thực hiện
chưng sẽ dễ dàng hơn, tháp không cần phải quá cao hay số đĩa cần dùng không quá nhiều
sẽ giúp tiết kiệm được không gian, đồng thời giảm được chi phí kinh tế thấp nhất có thể
và về lâu dài thì đó là đều mà nhà sản xuất luôn mong muốn. Vậy ta sử dụng tháp mâm
chóp để chưng cất hệ benzen – toluen.
Ngưng tụ hoàn toàn ( xét thiết bị ở đỉnh):

Sản phẩm (V) đi ra được ngưng tụ hoàn toàn thành lượng lỏng, sau đó hồi lưu (L) và sản
phẩm lỏng (P) . Do đó trước khi đưa P ra bình chứa sản phẩm đỉnh thì chỉ cần làm lạnh
mà không cần phải ngưng tụ thêm một lần nữa.
Ngưng tụ hồi lưu ( xét thiết bị ở đỉnh):

Sản phẩm V đi ra qua thiết bị ngưng tụ làm lạnh tạo ra:

9


-

-

Sản phẩm (P) là lượng hơi được tiếp tục qua thiết bị làm lạnh kết hợp ngưng tụ lại
thành lỏng rồi qua bình chứa sản phẩm đỉnh do đó sẽ kéo dài thời gian hơn dẫn đến
tốn kém chi phí.
Lượng lỏng L hồi lưu lại tháp

Cần phải tính toán và phân tích kĩ lưỡng trước khi chọn thiết bị ngưng tụ để hiệu quả
chưng luyện là tốt nhất, giảm được kinh phí về kinh tế tối ưu có thể nhưng vần đảm bảo
về mặt chất lượng sản phẩm theo yêu cầu phù hợp. Dù là chọn thiết bị nào, có thể là
ngưng tụ hoàn toàn hay ngưng tụ hồi lưu thì cũng đều có mặt thuận lợi và khó khăn của
nó.
Đối với ngưng tụ hoàn toàn thì sản phẩm thu được có độ tinh khiết rất cao (lượng lỏng
của sản phẩm sau khi ngưng tụ hoàn sẽ được hồi lưu vào đĩa trên cùng của tháp và sẽ
chảy từ trên xuống dưới đáy tháp; đồng thời sẽ gặp, tiếp xúc pha được hoàn toàn với
lượng hơi từ dưới đi lên do đó nồng độ sản phẩm thu được là rất cao), tuy nhiên thời gian
chưng luyện sẽ kéo dài hơn, hiệu suất quá trình thấp hơn so với ngưng tụ hồi lưu.
Với ngưng tụ hồi lưu thì sản phẩm thu được vẫn có thể có độ tinh khiết cao tùy tỉ lệ hồi
lưu, chất lượng sản phẩm thấp hơn so với ngưng tụ hoàn toàn. Tuy nhiên, sẽ rút ngắn
được thời gian chưng luyện so với ngưng tụ hoàn toàn, hiệu suất quá trình cao. Khi thiết
kế một tháp chưng luyện thì ta luôn mong muốn sản phẩm thu được có độ tinh khiết cao,
hiệu suất lớn, đặc biệt là giảm được lượng kinh phí kinh tế tối đa có thể do vậy tôi chọn

thiết bị ngưng tụ hồi lưu áp dụng cho chưng luyện hệ benzen – toluen.
1.3 Quy trình công nghệ quá trình chưng luyện liên tục hỗn hợp benzen – toluen.
1.3.1 Sơ đồ quy trình công nghệ:
Kí hiệu trong quy trình:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.

Bồn chứa nguyên liệu
Bơm
Bồn cao vị
Thiết bị đun sôi dòng nhập liệu
Lưu lượng kế
Nhiệt kế
Tháp chưng cất
Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh
Áp kế
Thiết bị đun sôi đáy tháp
Bồn chứa sản phẩm đáy
Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh
10

13. Bồn chứa sản phẩm đỉnh.

1.3.2 Thuyết minh quy trình:
Trước tiên ta xét các thông số nhiệt độ:
 Nhiệt độ nguyên liệu đầu (nhiệt độ lưu trữ nguyên liệu, nhiệt độ nhập liệu): tF = 30ᵒC








( nhiệt độ môi trường).
Nếu lưu trữ nguyên liệu ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ môi trường thì phải tốn chi phí làm
lạnh.
Ngược lại, nếu lưu trữ nguyên liệu ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ môi trường thì phải tốn
kém chi phí gia nhiệt.
Vậy, ta chọn nhiệt độ lưu trữ nguyên liệu là nhiệt độ môi trường.
 Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội: Chọn tP = 35ᵒC (khoảng nhiệt độ môi
trường).
- Nhiệt độ làm nguội không nên quá thấp vì sẽ tốn nhiều chi phí làm nguội để bảo quản
- Nhiệt độ làm nguội không được quá cao vì sẽ dễ hư hỏng thiết bị, khó bảo quản.
 Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt: Chọn tW = 35ᵒC
- Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt không được quá thấp vì sẽ tốn chi phí
làm lạnh hạ nhiệt độ để bảo quản sản phẩm.
- Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt không được quá cao vì sẽ dễ làm hư
hỏng thiết bị, đặc biệt khi gia nhiệt ở nhiệt độ quá cao thì sản phẩm đáy – cấu tử nặng

(toluen) sẽ bay hơi mạnh do đó sẽ lẫn vào sản phẩm đỉnh – cấu tử nhẹ (benzen) làm
giảm chất lượng sản phẩm.
Nhiệt độ điểm sôi: Nhiệt độ điểm sôi là nhiệt độ mà tại đó hỗn hợp bắt đầu sôi (bay hơi).
Trong quá trình sôi nhiệt độ điểm sôi sẽ tăng lên. 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. Tra sổ tay Quá trình và thiết bị tập 2 trang 146 và dùng pháp nội suy ta
tính được: ts(đ) = (0,1 – 0,07) + 106,1 = 107,42 ᵒC
Vậy nhiệt độ điểm sôi t của hỗn hợp benzen – toluen theo nồng độ x thu được nhiệt độ
điểm sôi của hỗn hợp benzen – toluen ứng với nồng độ ban đầu XF = 7% là 107,42C .
Nhiệt độ điểm sôi của hỗn hợp benzen – toluen
Phải gia nhiệt nguyên liệu đầu đến nhiệt độ điểm sôi trước khi đưa vào tháp là để tránh
hiện tượng ngưng tụ hơi từ dưới lên khi gặp nguyên liệu đầu có nhiệt độ sôi thấp
hơn, đồng thời sẽ tốn ít nhiệt, tiết kiệm (giảm) được thời gian gia nhiệt, hiệu suất sản
phẩm sẽ tăng do đó cải thiện được một phần chi phí kinh tế.
Nhiệt độ ngưng tụ ở đỉnh tháp
Nhiệt độ ngưng tụ là nhiệt độ mà tại đó giọt lỏng đầu tiên xuất hiện.
Tra sổ tay Quá trình và thiết bị tập 2 trang 146 và dùng pháp nội suy ta tính được
nhiệt độ ngưng tụ ở đỉnh tháp là: tsp (1 - 0,96 ) + 80,2 = 81,04 ᵒC

11


Nhiệt độ đỉnh phải luôn giữ ở 81,04ᵒC mà không được thấp hơn hay cao hơn. Vì nếu
nhiệt độ đỉnh thấp hơn 81,04ᵒC thì chưa đạt đến nhiệt độ sôi của benzen, do đó benzen
chưa thể bay hơi mà nó sẽ ngưng tụ và rơi xuống đáy làm quá trình chưng luyện bị gián
đoạn và ta không thu được sản phẩm đỉnh benzen hoặc lượng benzen thu được là rất ít.
Nếu nhiệt độ đỉnh cao hơn 81,04ᵒC thì sẽ làm cho cấu tử khó bay hơi (toluen) sẽ theo
benzen bay ra, do đó sản phẩm đỉnh thu được không tinh khiết, đồng thời hiệu suất tách
giảm.
 Nhiệt độ sôi ra ở đáy tháp

Tra sổ tay Quá trình và thiết bị tập 2 trang 146 và dùng pháp nội suy ta tính được nhiệt độ
sôi ở đáy tháp là: tsw (0,05 – 0,02) + 108,3 = 109,68 ᵒC
Thuyết minh sơ đồ:
Hỗn hợp benzen – toluen có nồng độ đầu là 7% benzen, nhiệt độ nguyên liệu lúc đầu là
30ᵒC tại bình nguyên liệu (1), được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3). Dòng nhập liệu được
gia nhiệt tới nhiệt độ điểm sôi trong thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống là 107,42 ᵒC. Sau
đó hỗn hợp đưa vào tháp chưng luyện (7) ở đĩa nhập liệu và bắt đầu quá trình chưng
luyện. Lưu lượng dòng nhập liệu được kiểm soát qua lưu lượng kế (5).
Tháp chưng luyện gồm hai phần : phần từ đĩa tiếp liệu trở lên trên là đoạn luyện, còn từ
đĩa tiếp liệu trở xuống là đoạn chưng.
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 dòng lỏng đi từ trên xuống. Ở đây có sự tiếp xúc và trao
đổi giữa 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. Để duy trì pha lỏng trong các đĩa của đoạn luyện, ta bổ sung bằng dòng
hồi lưu được ngưng tụ từ hơi đỉnh tháp
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 toluen sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có
cấu tử benzen chiếm nhiều nhất (nồng độ 96% mol). 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 ống (12) rồi được
đưa 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 tỉ số hồi lưu thích hợp và được kiểm soát bằng lưu lượng kế.
Cuối cùng ở đáy ta thu được hỗn hợp lỏng hầu hết là cấu tử khó bay hơi (toluen). Hỗn
hợp lỏng ở đáy chủ yếu là toluen một ít benzen nồng độ 2% mol. Dung dịch lỏng ở đáy đi
12


ra khỏi tháp vào thiết bị đun sôi lại (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).
Như vậy, thiết bị làm việc liên tục (hỗn hợp đầu đưa vào liên tục và sản phẩm cũng được
lấy ra liên tục cho sản phẩm đỉnh là giàu cấu tử benzen dễ bay hơi, sản phẩm đáy là dung
dịch giàu cấu tử toluen khó bay hơi)
Một số điểm lưu ý khi chưng luyện:
-Trong quá trình chưng luyện, tốc độ gia nhiệt phải vừa phải và đều đặn để cho quá trình
bay hơi được thực hiện liên tục để hiệu suất làm việc cao.
Nếu gia nhiệt nhanh thì sự tiếp xúc pha diễn ra nhanh chóng và không hoàn toàn, hỗn hợp
hòa lẫn và cùng bay lên đột ngột do đó sản phẩm đỉnh thu được không tinh khiết, năng
suất tách thấp
Ngược lại, nếu gia nhiệt chậm thì quá trình bay thực hiện không đều đặn, kéo dài thời
gian tách làm tốn kém chi phí, hiệu suất tách thấp
-Phải sử dụng thùng cao vị thùng cao vị có vai trò tạo ra sự ổn định lưu lượng và áp suất
của hỗn hợp đầu trước khi vào thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu, nhờ đó thiết bị sẽ làm việc
ổn định theo như tính toán và thiết kế.
Ta có thể thay thùng cao vị bằng bơm nhưng phải đảm bảo sự ổn định của dòng hỗn hợp
đầu và phải có phương án thay thế để đảm bảo dây chuyền có thể hoạt động liên tục khi
bơm có sự cố hỏng hóc hay cần bảo dưỡng định kì.
-Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu có vai trò gia nhiệt cho hỗn hợp đầu đến nhiệt độ điểm
sôi. Thiết bị này có thể không cần thiết nếu ta chọn hỗn hợp đầu vào không cần gia nhiệt
mà vào tháp ở nhiệt độ thường, chứ không phải ở nhiệt độ điểm sôi như đã giả thiết.
Nhưng như vậy trạng thái nhiệt động của hỗn hợp đầu sẽ thay đổi, dẫn đến làm thay đổi
lượng hơi và lượng lỏng đi trong tháp, có nghĩa là vị trí đĩa tiếp liệu sẽ thay đổi theo.

13


Chương 2: Cân bằng vật chất
A. CÂN BẰNG VẬT CHẤT

Các thông số ban đầu:
 Giả thiết đề cho:
- Khối lượng hỗn hợp nguyên liệu đầu (năng suất nhập liệu): GF= 600 kg/h.
- Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong nhập liệu
: x F = 7% mol benzen
- Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đỉnh
: xP = 96% mol benzen
- Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy
: x W = 2% mol benzen
 Gọi:
GF, GP, GW: lưu lượng khối lượng nguyên liệu đầu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy.
VF, VP, VW: lưu lượng thể tích nguyên liệu đầu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy.
NF, NP, NW: lưu lượng mol nguyên liệu đầu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy.
aF, aP, aW : nồng độ phần khối lượng nguyên liệu đầu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy
xF, xP, xW: nồng độ phần mol nguyên liệu trong pha lỏng ở hỗn hợp đầu, đỉnh, tháp.
yF, yP, yW: nồng độ phần mol nguyên liệu trong pha lỏng ở hỗn hợp đầu, đỉnh, tháp.
bF, bP, bW: nồng độ phần thể tích nguyên liệu đầu, đỉnh, đáy.
A: là cấu tử nhẹ - benzen
B: là cấu tử nặng – toluen
Ta có: Khối lượng mol benzen là: MA = 78 kg/mol
Khối lượng mol toluen là: MB = 92 kg/mol
 Từ phân tích ở chương 1:
Nhiệt độ nhập liệu tF = 30ᵒC
Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội: tP = 35ᵒC
Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt: tW = 35ᵒC
Nhiệt độ điểm sôi của hỗn hợp benzen – toluen là: ts(đ) = 107,42ᵒC
Nhiệt độ ngưng tụ ở đỉnh là: tsp = 81,04ᵒC.
Nhiệt độ đun sôi lại ở đáy tháp là: tsw = 119,68ᵒC.
Nguyên liệu vào hệ thống luôn 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.
2.1 Cân bằng vật chất theo lưu lượng khối lượng
Ta có:
Phương trình cân bằng vật chất cho toàn tháp là:
GF = GP + GW
(1)
Phương trình cân bằng vật chất riêng phần:
GF.aF = GP.aP + GW.aW (2)
Từ (1) và (2) ta có hệ phương trình: GP + GW = GF
14


G P.aP + GW.aW = GF.aF
Tương đương với GP + GW = 600
(3)
GP.aP + GW.aW = 600aF (4)
Vì giả thiết cho nồng độ phần mol nên để tính được lưu lượng khối lượng thì trước tiên
phải chuyển nồng độ mol sang nồng độ phần khối lượng:
 Nồng độ phần khối lượng nguyên liệu đầu của cấu tử nhẹ:
aFA= ( xFA. MA )/( xFA. MA + ( 1- xFA). MB ) = ( 0,07.78 )/( 0,07.78 + ( 1- 0,07).92 ) = 0,058
phần khối lượng. (5)
 Nồng độ phần khối lượng nguyên liệu đầu của cấu tử nặng :
aFB = 1 - aFA = 1 – 0,058 = 0,942 phần khối lượng.
 Nồng độ phần khối lượng sản phẩm đỉnh của cấu tử nhẹ:
aPA = ( xPA. MA)/( xPA. MA + ( 1 - xPA ). MB ) = ( 0,96.78 )/( 0,96.78 + ( 1- 0,96 ).92 )
= 0,953 phần khối lượng. (6)
 Nồng độ phần khối lượng sản phẩm đỉnh của cấu tử nặng :
aPB = 1 – aPA = 1 – 0,953 = 0,047 phần khối lượng
 Nồng độ phần khối lượng sản phẩm đáy của cấu tử nhẹ:
aWA = ( xWA. MA)/( xWA. MA + ( 1 – xWA ). MB ) = ( 0,02.78)/(0,02.78 + ( 1- 0,02).92 )

= 0,017 phần khối lượng. (7)
 Nồng độ phần khối lượng sản phẩm đáy của cấu tử nặng : a WB = 1 – aWA = 1 –
0,017 = 0,983 phần khối lượng.
 Thay kết quả (5), (6), (7) vào hệ phương trình (3), (4) ta có:
 Lưu lượng khối lượng sản phẩm đỉnh là GP ≈ 27,545 kg/h
 Lưu lượng khối lượng sản phẩm đáy là GW ≈ 572,455 kg/h
 Vậy ta có lưu lượng khối lượng từng cấu tử như sau:
 Khối lượng benzen trong hỗn hợp nguyên liệu vào:
GFA = aFA.GF = 0,058 .600 ≈ 35,992 (kg/h)
 Khối lượng toluen trong hỗn hợp nguyên liệu vào:
GFB = aFB.GF = 0,942 .600 ≈ 564,008 (kg/h)
 Khối lượng benzen trong sản phẩm đỉnh:
GPA = aPA.GP = 0,953.27,256 ≈ 26,257 (kg/h)
 Khối lượng toluen trong sản phẩm đỉnh:
GPB = aPB.GP = 0,047.27,256 ≈ 1,290 (kg/h)
 Khối lượng benzen trong sản phẩm đáy:
GWA = aWA.GW = 0,017.572,454 ≈ 9,736 (kg/h)
 Khối lượng toluen trong sản phẩm đáy:
GWB = aWB.GW = 0,983.572,454 ≈ 562,718 (kg/h)
Bảng cân bằng vật liệu theo lưu lượng khối lượng (G):
15


Vị trí
aP, phần khối lượng
ở sản phẩm đỉnh
GP, lưu lượng khối
lượng ở đỉnh (kg/h)
aW, phần khối lượng
ở sản phẩm đáy

GW, lưu lượng khối
lượng ở sản phẩm
đáy (kg/h)
aF, phần khối lượng
ở nguyên liệu đầu
vào
GF, lưu lượng khối
lượng ở nguyên liệu
vào (kg/h)

A
0,953

B
0,047

Tổng cộng
1

26,256

1,290

27,546

0,017

0,983

1

9,736

562,718

0,058

0,942

1

35,992

564,008

600

572,454

2.2 Cân bằng vật chất theo lưu lượng mol
 Khối lượng mol trung bình của hỗn hợp nguyên liệu:
MF = MA.xA + MB.xB
= MA.xFA + MB( 1 – xFA )
= 78.0,07 + 92(1 – 0,07)
=91,02 kg/mol
 Lưu lượng mol hỗn hợp đầu:
NF = GF/MF = 600/91,02 ≈ 6,592 kmol/h
 Lưu lượng mol từng cấu tử trong hỗn hợp nguyên liệu đầu:
 Lưu lượng mol của benzen: NFA = xFA.NF = 0,07.6,592 ≈ 0,461 kmol/h
 Lưu lượng mol của toluen: NFB = (1- xFA ).NF = (1 – 0,07).6,592 ≈ 0,131 kmol/h

 Tính lưu lượng mol sản phẩm đỉnh:
 Khối lượng mol trung bình của hỗn hợp đỉnh:
MP = MA.xP + MB( 1 – xP ) = 78.0,96 + 92(1 – 0,96) = 78,56 kg/mol
 Vậy lưu lượng mol sản phẩm đỉnh là:
NP = GP/MP = 27,256/78,56 ≈ 0,351 kmol/h
 Lưu lượng mol từng cấu tử trong sản phẩm đỉnh:
 Lưu lượng mol của benzen: NPA = xPA.NP = 0,96.0,351 ≈ 0,337 kmol/h
 Lưu lượng mol của toluen: NPB = (1- xPA ).NP = (1 – 0,96).0,351 ≈ 0,014 kmol/h
 Tính lưu lượng mol của sản phẩm đáy:
 Khối lượng mol trung bình hỗn hợp sản phẩm đáy:
MW = MA.xW + MB( 1 – xW ) = 78.0,02 + 92(1 – 0,02) = 91,72 kg/mol
 Vậy lưu lượng mol sản phẩm đáy là:
16


NW = GW/MW = 572,454/91,72 ≈ 6,241 kmol/h
 Lưu lượng mol từng cấu tử của sản phẩm đáy là:
 Lưu lượng mol của benzen: NWA = NW.xW = 6,241.0,02 ≈ 0,125 kmol/h
 Lưu lượng mol của toluen: NWB = NW( 1 – xW ) = 6,241.(1 – 0,02) ≈ 6,116 kmol/h
Bảng cân bằng vật liệu tính theo lưu lượng mol (N):
Vị trí
xP, phần mol
NP, lưu lượng mol ở
đỉnh (kmol/h)
xW, phần mol
NW, lưu lượng mol ở
đáy (kmol/h)
xF, phần mol
NF, lưu lượng mol
nguyên liệu vào

(kmol/h)

A

B

Tổng cộng

0,96
0,337

0,04
0,014

1
0,351

0,02
0,125

0,98
6,116

1
6,241

0,07
0,461

0,93

6,131

1
6,592

2.3 Cân bằng vật liệu theo lưu lượng thể tích
Khối lượng riêng của benzen và toluen (tra sổ tay quá trình thiết bị tập1 trang 9 bảng 1.2
về thành phần khối lượng riêng theo nhiệt độ)
tᵒC

106ᵒC ( nhiệt độ
điểm sôi)

ρA ( hay ρbenzen) kg/m3
ρB ( hay ρtoluen) kg/m3

80,1ᵒC ( nhiệt độ
đỉnh, nhiệt độ sôi
của benzen)
814,895
807.9

785,8
781.4

110,6ᵒC ( nhiệt độ
đáy, nhiệt độ sôi
của toluen)
780,28
776.34

 Tính lưu lượng thể tích của hỗn hợp đầu (ứng với nhiệt độ điểm sôi):
 Khối lượng riêng của hỗn hợp đầu ( ứng với nhiệt độ điểm sôi) là:

ρ F = ρA.aFA + ρB( 1 – aFA ) = 786,325.0,058 + 782,171.( 1 – 0,058 ) = 782,420 =
781,6639(kg/m3).
 Lưu lượng thể tích của hỗn hợp đầu (ứng với nhiệt độ sôi là):
VF = GF/ρF = 600/782,420 = 0,767593(m3/h)
 Lưu lượng thể tích từng cấu tử trong hỗn hợp đầu:
 Lưu lượng thể tích của benzen trong hỗn hợp đầu: VFA = GFA/ ρA = 35,992/786,325
= 0,046 (m3/h).
 Lưu lượng thể tích của toluen trong hỗn hợp đầu: VFB = GFB/ ρB = 564,008/782,171
17


= 0,721 (m3/h).
 Lưu lượng phần thể tích của từng cấu tử trong hỗn hợp đầu:
 Lưu lượng phần thể tích của benzen trong hỗn hợp đầu:
vFA = VFA/VF = 0,046/0,767 ≈ 0,06 phần thể tích
 Lưu lượng phần thể tích của toluen trong hỗn hợp đầu:
vFB = 1 - vFA = 1 – 0,06 ≈ 0.94 phần thể tích
 Tính lưu lượng thể tích của hỗn hợp sản phẩm đỉnh:
 Khối lượng riêng của hỗn hợp sản phẩm đỉnh
ρP = ρA.aPA + ρB( 1- aPA ) = 814,888. 0,953+ 807,903.( 1 – 0,953)
= 814,561(kg/m3)
 Lưu lượng thể tích của hỗn hợp sản phẩm đỉnh là:
VP = GP/ ρP = 27,546/814,561 = 0,034 (m3/h)
 Lưu lượng thể tích của từng cấu tử trong sản phẩm đỉnh:
 Lưu lượng thể tích của benzen trong sản phẩm đỉnh: VPA = GPA/ ρA =
26,256/814,888

= 0,032 (m3/h).
 Lưu lượng thể tích của toluen trong sản phẩm đỉnh: VPB = GPB/ ρB = 1,29/807,903
= 0,002 (m3/h).
 Lưu lượng phần thể tích của từng cấu tử trong sản phẩm đỉnh:
 Lưu lượng phần thể tích của benzen trong sản phẩm đỉnh:
vPA = VPA/VP = 0,032/0,034 ≈ 0,946 phần thể tích
 Lưu lượng phần thể tích của toluen trong hỗn hợp đầu:
vPB = 1 – vPA = 1 –0,946 ≈ 0,054 phần thể tích
 Tính lưu lượng thể tích của hỗn hợp sản phẩm đáy:
 Khối lượng riêng của hỗn hợp sản phẩm đáy:
ρW = ρA.aWA + ρB( 1 – aWA ) = 792,333. 0,017 + 777,703.(1 – 0,017)
= 764,476 (kg/m3)
 Lưu lượng thể tích hỗn hợp sản phẩm đáy:
VW = GW/ρW = 572,454/764,476 = 0,749 (m3/h)
 Lưu lượng thể tích của từng cấu tử trong sản phẩm đáy:
 Lưu lượng thể tích của benzen trong sản phẩm đáy:
VWA = GWA/ρW = 9,736/764,476 = 0,013 (m3/h)
 Lưu lượng thể tích của toluen trong sản phẩm đáy:
VWB = GWB/ρW = 562,718/764,476 = 0,736 (m3/h)
 Lưu lượng phần thể tích của từng cấu tử trong sản phẩm đáy:
 Lưu lượng phần thể tích của benzen trong sản phẩm đáy:
vWA = VWA/VW = 0,013/0,749 ≈ 0,017 phần thể tích
 Lưu lượng phần thể tích của toluen trong sản phẩm đáy:
vWB = 1 - vWA = 1 – 0,017 ≈ 0,983 phần thể tích.
18


Bảng cân bằng vật chất theo lưu lượng thể tích:
Vị trí tính toán
GF (kg/h)

VF (m3/h)
vF (phần thể tích)
GP (kg/h)
VP (m3/h)
vP ( phần thể tích )
GW (kg/h)
VW (m3/h)
vW (phần thể tích)

A
35,992
0,046
0,017
26,266
0,032
0,946
9,736
0,013
0,017

B
564,008
0,721
0,983
1,290
0,002
0,054
562,718
0,736
0,981

Tổng cộng
600
0,767
1
27,256
0,034
1
572,454
0,749
1

Bảng tổng hợp cân bằng vật chất:
Các
thông
số
G,
kg/h
a,
phần
khối
lượng
N,
kmol/
h
x,
phần
mol
V,
m3/h

v,
phần
thể
tích
ρ,
khối

Nguyên liệu vào, F

Sản phẩm đỉnh, P

Sản phẩm đáy, W

A
35,992

B
Tổng
564,008 600

A
26,256

B
1,290

Tổng
27,546

A

9,736

B
Tổng
562,718 572,454

0,06

0,94

1

0,953

0,047

1

0,017

0,983

1

0,461

6,131

6,592

0,337

0,014

0,351

0,125

6,116

6,241

0,07

0,93

1

0,96

0,04

1

0,02

0,98

1

0,046

0,721

0,767

0,032

0,002

0,034

0,013

0,736

0,749

0,06

0,94

1

0,946

0,054

1

0,017

0,983

1

786,325

782,171 782,420
(khối

814,888 807,903 814,561 792,33 777,703 764,476
(khối
3
(khối
19


lượng
riêng,
kg/m3

lượng
riêng
của hỗn
hợp
nguyên
liệu vào)

Các thông số

G, kg/h
a, phần khối lượng
N, kmol/h
x, phần mol
ρ, kg/m3

lượng
riêng
của hỗn
hợp sản
phẩm
đỉnh)

Nguyên liệu đầu F
600
1
6,592
1
782,420

V, m3/h
v, phần thể tích

Sản phẩm đỉnh P
27,254
1
0,351
1
814,561

0,767
1

lượng
riêng
của hỗn
hợp sản
phẩm
đáy)

Sản phẩm đáy W
572,545
1
6,241
0,947
764,476

0,034
1

0,749
1

B. XÁC ĐỊNH SỐ ĐĨA THỰC TẾ. TÍNH CHIỀU CAO THÁP
2.4 Xác định số đĩa thực tế theo phương pháp đồ thị
2.4.1 Vẽ đường cong cân bằng y – x và đồ thị t – x – y theo thực nghiệm:
Thành phần cân bằng tra trong bảng cân bằng lỏng(x) - hơi (y) và nhiệt độ sôi của hai cấu
tử ở 760mmHg (phần trăm số mol) của benzen và toluen ( Bảng IX. 2a ST-T2/146)
t, ᵒC
x,

%mol
y, %
x, phần
mol
y, phần
mol

110,
6
0

108,
3
5

106,
1
10

102,
2
20

98,6

95,2

92,1

86,8

50

89,
4
60

30

40

0
0

11,8
0,05

21,4
0,1

38
0,2

51,1
0,3

0

0,11
8

0,21
4

0,38

0,51
1

61,9
0,4

71,2
0,5

0,61
9

0,71
2

20

82,3

70

84,
4
80

90

80,
2
100

79
0,6

85,4
0,7

91
0,8

95,5
0,9

100
1

0,7
9

0,85
4

0,9
1

0,95
5

1


Từ số liệu trong bảng trên ta vẽ đồ thị đường cân bằng lỏng (x) – hơi (y), dùng phương
pháp nội suy ta tính được:
Với xF = 0,07
=> yFcb (0,07 – 0,05) + 0,118 = 0,1564 phần mol
Ts(đ) (0,1 – 0,07) + 106,1 = 107,42 ᵒC
Với xP = 0,96
=> yPcb(0,96 – 0,9) + 0,955 = 0,982 phần mol
tsp (1 - 0,96 ) + 80,2 = 81,04 ᵒC
Với xW = 0,02
=> yWcb(0,02 – 0) + 0 = 0,0472 phần mol
tsw (0,05 – 0,02) + 108,3 = 109,68 ᵒC

Bảng tổng hợp:
Nồng độ cấu tử
Vị trí
x (nồng độ
ycb(nồng độ
phần mol)
phần mol)
F
P
W

0,07
0,96
0,02

0,1564
0,982
0,0472

Lưu lượng
khối lượng
(Kg/h)
600
27,546
572,454

Lượng hỗn hợp
Lưu lượng
mol
(Kmol/h)
6,592
0,351
0,241

tᵒshh (ᵒC)
107,42
81,04
109,68

2.4.2 Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp và phương trình làm việc:
2.4.2.1 Chỉ số hồi lưu tối thiểu

Rxmin 9,301
Chỉ số hồi lưu thực tế Rx:
Rx = b. Rxmin
Trong đó b = 1,1 ÷ 5
Để tính gần đúng ta có thể lấy chỉ số hồi lưa làm việc bằng :
Rx = (1,2 ÷ 2,5) Rxmin
(Công thức IX.25a sổ tay quá trình thiết bị tập 2 trang 158)
Hay Rx = 1,3 Rxmin + 0,3
(IX.25b sổ tay quá trình thiết bị tập 2 trang 159)
Vậy Rx = 1,3.9,301 + 0,3
= 12,391
2.4.2.2 Phương trình các đường làm việc của đoạn luyện
Theo phần mol, phương trình làm việc của đoạn luyện có dạng: y = Ax + B

= = = 0,9253229781
B = = 0,07168994101
A

21


=> y

= 0,925x + 0,0717

Kiểm tra phương trình đường làm việc của đoạn luyện y = f(x)
Vị trí
X
ylv
x=0

0
0,072
x = xF
0,07
0,136
x = xP
0,96
0,96
2.4.2.3 Phương trình đường làm việc của đoạn chưng
Phương trình làm việc của đoạn chưng có dạng yˊ = Aˊxˊ + Bˊ
Tính yˊ theo xˊ : yˊ

-

xW

Với f = = 18,800
Rx = 12,391
xW = 0,02

= =
B’ = xW = 0,02 = -0,0267
A’ =

Vậy yˊ 0,02 = - 0,0267
=> yˊ = 2,329 - 0,0267
Kiểm tra đường làm việc của đoạn chưng yˊ = f(xˊ)
Vị trí
xˊ
xˊ = 0

0
ˊ
x = xF
0,07
ˊ
x = xW
0,02
-

Phương trình làm việc của đoạn chưng tính xˊ theo yˊ:

xˊ

xW

A’’ = = 0,4293225604
B’’ = 0,02 = 0,01141347425
=> x’ = 0,429y’ + 0,0114
Kiểm tra đường làm việc của đoạn chưng xˊ = f(yˊ)
22

ylv
-0,027
0,136
0,02


Vị trí
yˊ = 0
yˊ = yF

yˊ = yW

y’
0
0,136
0,02

xlv
0,0114
0,07
0,02

Chuyển đổi nồng độ mol sang nồng độ phần khối lượng:
ax,y
Với xF = 0,07 <=> axF = 0,06
Với xP = 0,96 <=> axP = 0,953
Với xW = 0,02 <=> axW

= = 0,017

alvF = = = 0,118
alvP =

= = = 0,953

alvW = = = 0,017
aycbF = = = 0,136
aycbP = = = 0,979
aycbW = = = 0,240

Bảng tổng hợp các loại nồng độ:
Phần mol
X
x=
0,07
xF
x=
0,96
xP
x=
0,02
xw

ylv
0,136461538
5
0,96

ycb
0,1564

Phần khối lượng
ax
aylv
0,06
0,118

0,982

0,953

0,953

0,979

0,02

0,0472

0,017

0,017

0,240

2.4.3 Xác định số đĩa lý thuyết:
23

aycb
0,136


Đồ thị x – y:
Dựa vào đồ thị x – y ta xác định được số mâm lý thuyết là:
Số mâm toàn tháp (làm tròn): Nlt = 14
Số mâm lý thuyết đoạn luyện: Nlt đluyện = 8,5
Số mâm lý thuyết đoạn chưng: Nlt đchưng = 5
2.4.4 Xác định số đĩa thực tế
Ntt =
2.4.4.1 Tính hiệu suất làm việc: Hiệu suất làm việc ηtb là hàm phụ thuộc vào độ bay hơi

tương đối (α ) và độ nhớt (µ)
2.4.4.1.1 Hiệu suất làm việc của đĩa dưới cùng (tW = 109,68 ᵒC)
Độ bay hơi tương đối của hỗn hợp được xác định: α1 = .
= . = 2,427371956
α1
2,427371956

xW
0,02

yWcb
0,0472

Độ nhớt:
Độ nhớt của benzen (µA) và toluen (µB) ở nhiệt độ tW = 109,68 ᵒC (tra bảng sổ tay QTTB
tập 1 trang 191)
tᵒC
µA, 10-3 Ns/m2
µB, 10-3 Ns/m2

80
0,316
0,319

100
0,261
0,271

109,68
0,240672

0,25164

120
0,219
0,231

Vậy độ nhớt của hỗn hợp đáy được xác định:
lgµ1 = xW.lgµA + (1 - xW).lg µB = 0,02.lg0,241 + (1 – 0,02).lg0,252
= -0,5989989587
=> µ1 ≈ 0,2517682964
µ1, 10-3 Ns/m2

lgµ1

µA, 10-3 Ns/m2

xW
24

µB, 10-3 Ns/m2


0,252

-0,5989989587

0,02

0,240672

0,25164

Tính α1. µ1 =2,427371956. 0,2517682964 = 0,6111353022
Dựa vào bảng hiệu suất trung bình (hình IX.11 sổ tay QTTB tập 2 trang 171)
Theo phương pháp nội suy ta có:
α1 . µ 1
ᶯ1, %

0,6
55

0,611
54,833

0,8
52

Vậy ᶯ1,% = 54,833
2.4.4.1.2 Hiệu suất làm việc của đĩa tiếp liệu (tF = 107,42ᵒC)

.

Độ bơi bay hơi tương đối của hỗn hợp: α2 =
= . = 2,463117253

α2
2,463

xF
0,07

yFcb
0,1564

Độ nhớt:
Độ nhớt của benzen (µA) và toluen (µB) ở nhiệt độ tW = 107,42 ᵒC (tra bảng sổ tay QTTB
tập 1 trang 191)
tᵒC
µA, 10-3 Ns/m2
µB, 10-3 Ns/m2

80
0,316
0,319

100
0,261
0,271

107,42
0,253209
0,25616

Vậy độ nhớt của hỗn hợp đáy được xác định:
lgµ2 = xF.lgµA + (1 – xF).lg µB = 0,07.lg0,253209 + (1 – 0,07).lg0,25616
= -0,5918409378
=> µ2 ≈ 0,2559523152
25

120

0,219
0,231