Tính toán và thiết kế tháp chưng luyện liên tục loại tháp đệm để phân tách hỗn hợp rượu etylic – nước

phần I. mở đầu

Giới thiệu chung về dây chuyền sản xuất.

Chng cất là phơng pháp dùng để tách các hỗn hợp lỏng cũng nh các
hỗn hợp khí lỏng thành các cấu tử riêng biệt, dựa vào độ bay hơi khác
nhau của các cấu tử trong hỗn hợp. Khi chng cất, hỗn hợp đầu có bao nhiêu
cấu tử thì ta thu đợc bấy nhiêu cấu tử sản phẩm. Theo đề bài thì hỗn hợp
đầu gồm 2 cấu tử là RợuEtylic và Nớc nên đợc gọi là chng cất hỗn hợp 2
cấu tử.
Sau quá trình chng cất, ta thu đợc sản phẩm đỉnh là cấu tử có độ bay hơi
lớn hơn(RợuEtylic) và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi bé hơn (Nớc). Sản
phẩm đáy gồm hầu hết các cấu tử khó bay hơi (Nớc) và một phần rất ít cấu tử
dề bay hơi (RơuEtylic).
Trong trờng hợp này ta dùng tháp chng luyện loại tháp đệm, làm việc ở
áp suất thờng (1at) với hỗn hợp đầu vào ở nhiệt độ sôi.

Phần II. Sơ đồ dây chuyền công nghệ.
I.

Sơ đồ dây chuyền công nghệ sản xuất. (hình 1)

II.

Thuyết minh sơ đồ.
Nguyên liệu đầu đợc chứa trong thùng chứa (1) và đợc bơm (2) bơm
lên thùng cao vị (3). Mức chất lỏng cao nhất và thấp nhất ở thùng cao vị đợc
khống chế bởi của chảy tràn. Hỗn hợp đầu từ thùng cao vị (3) tự chảy
xuống thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu (4), quá trình tự chảy này đợc theo dõi
bằng đồng hồ lu lợng. Tại thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu (4) (dùng hơi nớc
bão hoà), hỗn hợp đầu đợc gia nhiệt tới nhiệt độ sôi, sau khi đạt tới nhiệt độ

sôi, hỗn hợp này đợc đa vào đĩa tiếp liệu của tháp chng luyện loại tháp đệm
(5). Trong tháp, hơi đi từ dới lên tiếp xúc trực tiếp với lỏng chảy từ trên

1


xuống, tại đây xảy ra quá trình bốc hơi và ngng tụ nhiều lần. Theo chiều
cao của tháp, càng lên cao thì nhiệt độ càng thấp nên khi hơi đi qua các
tầng đệm từ dới lên, cấu tử có nhiệt độ sôi cao sẽ ngng tụ. Quá trình tiếp
xúc lỏng hơi trong tháp diễn ra liên tục làm cho pha hơi ngày càng giầu
cấu tử dễ bay hơi, pha lỏng ngày càng giầu cấu tử khó bay hơi. Cuối cùng
trên đỉnh tháp ta sẽ thu đợc hầu hết là cấu tử dễ bay hơi (RợuEtylic) và một
phần rất ít cấu tử khó bay hơi(Nớc). Hỗn hợp hơi này đợc đi vào thiết bị ngng tụ (6) và tại đây nó đợc ngng tụ hoàn toàn (tác nhân là nớc lạnh). Một
phần chất lỏng sau ngng tụ cha đạt yêu cầu đợc đi qua thiết bị phân dòng
(7) để hồi lu trở về đỉnh tháp, phần còn lại đợc đa vào thiết bị làm lạnh (8)
để làm lạnh đến nhiệt độ cần thiết sau đó đi vào thùng chứa sản phẩm đỉnh
(10).
Chất lỏng hồi lu đi từ trên xuống dới, gặp hơi có nhiệt độ cao đi từ dới
lên, một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp lại bốc hơi đi lên, một phần cấu tử
khó bay hơi trong pha hơi sẽ ngng tụ đi xuống. Do đó nồng độ cấu tử khó bay
hơi trong pha lỏng ngày càng tăng, cuối cùng ở đáy tháp ta thu đợc hỗn hợp
lỏng gồm hầu hết là cấu tử khó bay hơi (Nớc) và một phần rất ít cấu tử dễ bay
hơi (RợuEtylic), hỗn hợp lỏng này đợc đa ra khỏi đáy tháp, qua thiết bị phân
dòng, một phần đợc đa ra thùng chứa sản phẩm đáy (11), một phần đợc tận
dụng đa vào nồi đun sôi đáy tháp (9) dùng hơi nớc bão hoà. Thiết bị (9) này có
tác dụng đun sôi tuần hoàn và bốc hơi hỗn hợp đáy (tạo dòng hơi đi từ dới lên
trong tháp). Nớc ngng của thiết bị gia nhiệt đợc tháo qua thiết bị tháo nớc ngng (12).
Tháp chng luyện làm việc ở chế độ liên tục, hỗn hợp đầu vào và sản
phẩm đợc lấy ra liện tục.
III.

Chế độ thuỷ động của tháp đệm.
Trong tháp đệm có 3 chế độ thuỷ động là chế độ chảy dòng, chế độ

quá độ và chế độ xoáy.
Khi vận tốc khí bé, lực hút phân tử lớn hơn và vợt lực lỳ. Lúc này quá
trình chuyển khối đợc xác định bằng dòng khuyếch tán phân tử. Tăng vận tốc
2


lên lực lỳ trở nên cân bằng với lực hút phân tử. Quá trình chuyển khối lúc này
không chỉ đợc quyết định bằng khuyếch tán phân tử mà cả bằng khuyếch tán
đối lu. Chế độ thuỷ động này gọi là chế độ quá độ. Nếu ta tiếp tục tăng vận
tốc khí lên nữa thì chế độ quá độ sẽ chuyển sang chế độ xoáy. Trong giai đoạn
này quá trình khuyếch tán sẽ đợc quyết định bằng khuyếch tán đối lu.
Nếu ta tăng vận tốc khí lên đến một giới hạn nào đó thì sẽ xảy ra hiện tợng đảo pha. Lúc này chất lỏng sẽ chiếm toàn bộ tháp và trở thành pha liên
tục, còn pha khí phân tán vào trong chất lỏng và trở thành pha phân tán. Vận
tốc khí ứng với thời điểm này gọi là vận tốc đảo pha. Khí sục vào lỏng và tạo
thành bọt vì thế trong giai đoạn này chế độ làm việc trong tháp gọi là chế độ
sủi bọt. ở chế độ này vận tốc chuyển khối tăng nhanh, đồng thời trở lực cũng
tăng nhanh.
Trong thực tế, ta thờng cho tháp đệm làm việc ở chế độ màng có vận tốc
nhỏ hơn vận tốc đảo pha một ít vì quá trình chuyển khối trong giai đoạn sủi
bọt là mạnh nhất, nhng vì trong giai đoạn đó ta sẽ khó khống chế quá trình
làm việc.
Ưu điểm của tháp đệm:
+ Hiệu suất cao vì bề mặt tiếp xúc pha lớn.
+ Cấu tạo tháp đơn giản.
+ Trở lực trong tháp không lớn lắm.
+ Giới hạn làm việc tơng đối rộng.

Nhợc điểm.
+ Khó làm ớt đều đệm.
+ Tháp cao quá thì phân phối chất lỏng không đều.
IV. Bảng kê các ký hiệu thờng dùng trong bản đồ án.
-

F: Lợng hỗn hợp đầu, kg/h (hoặc kg/s, kmol/h)

-

P: Lợng sản phẩm đỉnh, kg/h (hoặc kg/s, kmol/h)

-

W: Lợng sản phảm đáy, kg/h (hoặc kg/s, kmol/h)

3


-

Các chỉ số F, P, W, A, B : tơng ứng chỉ đại lợng đó thuộc về hỗn hợp đầu,
sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy củaRợuEtylic và Nớc.

-

a: nồng độ phần khối lợng, RợuEtylic kg /kg hỗn hợp

-

x: nồng độ phần mol, kmol RợuEtylic /kmol hỗn hợp

-

M: Khối lợng mol phân tử, kg/kmol

-

à: độ nhớt, Ns/m2

-

: khối lợng riêng, kg/m3

-

Các chỉ số A, B, x, y, hh: tơng ứng chỉ đại lợng thuộc về cấu tử RợuEtylic,
Nớc, thành phần lỏng, thành phần hơi và hỗn hợp.

-

4

Ngoài ra các ký hiệu cụ thể khác đợc định nghĩa tại chỗ.


Phần IIi. Tính toán thiết bị chính

I. Tính cân bằng vật liệu.
I.1. Tính toán cân bằng vật liệu.

I.1.1. Hệ phơng trình cân bằng vật liệu.
- Phơng trình cân bằng vật liệu chung cho toàn tháp.
F=P+W

[II



[II



144]
- Đối với cấu tử dễ bay hơi
FaF = Pap + Waw
144]
- Lợng sản phẩm đỉnh là:
P = F.

aF aw
a p aw

Trong đó:
F: năng suất tính theo hỗn hợp đầu, kg/s hoặc kg/h
aF, ap, aw: lần lợt là nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp đầu, sản phẩm
đỉnh, sản phẩm đáy, phần khối lợng
Đầu bài cho F = 4000(kg/h).
Vậy ta có lợng sản phẩm đỉnh là:
P = F.

aF aw
0,42 0,04
= 3600.
= 1537
a p aw
0,93 0,04

(kg/h)

- Lợng sản phẩm đáy là:
W = F -P = 3600-1537= 2063 (kg/h)
I.1.2. Đổi nồng độ phần khối lợng sang nồng độ phần mol của aF, ap, aw.
5


áp dụng công thức
x=

aA
MA
aA
a
+ B
MA MB

[II 126]

Trong đó:
aA, aB: nồng độ phần khối lợng của RợuEtylic và Nớc.
Ma, MB: khối lợng mol phân tử củaRợuEtylic và Nớc.

Với M A = M C H o = 46 (kg/kmol)
2

6

M B = M H 2O = 18

(kg/kmol)

Thay số liệu vào ta có:
aF
0,42
MA
46
xF =
aF
(
1 a F ) = 0,42 1 0,42 = 0,221
+
+
MA
MB
46
18
(phần mol)
aP
0,93
MA
46
xP =

a P (1 a P ) = 0,93 1 0,93 = 0,839
+
+
MA
MB
46
18
(phần mol)
aw
0,04
MA
46
xw =
a w (1 a w ) = 0,04 1 0,04 = 0,016
+
+
MA
MB
46
18
(phần mol)

I.1.3. Tính khối lợng phân tử trung bình của hỗn hợp đầu, sản phẩm
đỉnh, sản phẩm đáy.
Theo công thức: M = x.MA + (1 x)MB
Trong đó:
M: khối lợng phân tử trung bình, kg/kmol
x: nồng độ phần mol
-

Khối lợng phân tử trung bình của sản phẩm đỉnh.
Mp = xp.MA + (1 xp)MB

6


Mp = 0,839.0,839 +(1- 0,839).18
Mp = 39,71 kg/kmol
Khối lợng phân tử trung bình của hỗn hợp đầu.

-

MF = xF.MA + (1 xF)MB
MF = 0,221.46 +(1- 0,221).18
MF = 24,188(kg/kmol)
Khối lợng phân tử trung bình của sản phẩm đáy.

-

Mw = xw.MA + (1 xw)MB
Mw = 0,016.46 +(1- 0,016).18
Mw = 18,448 (kg/kmol)
I.1.4. Đổi đơn vị của F, P, W từ kg/h sang kmol/h
F=

F ( kg / h )
3600
=
= 148,834 (kmol / h)
MF

24,188

P=

P( kg / h ) 1537
=
= 38,706(1kmol / h)
Mp
39,71

W=

W ( kg / h )
2063
=
= 111,828 (kmol / h)
Mw
18,448

I.1.5. Lợng hỗn hợp đầu trên một đơn vị sản phẩm đỉnh:
f =

F 148,834
=
= 3,845
P 38,706

I.2. Xác định số bậc thay đổi nồng độ.
I.2.1. Xác định Rmin dựa trên đồ thị y x.
Dựng đờng cân bằng theo số liệu đờng cân bằng sau: [II 145]

Bảng 1.

x 0
y 0
7

5

10

20

30

33. 44. 53. 57.

40
61.

50

60

70

80

90

65. 69. 75. 81. 89.

10
0
10

Hỗnhợ
p đẳng
phí
89.4


t

10

2
90.

0

5

Bmax =

2
1
86. 83.
5

.2

6
81.

4
80.

7

8

4
80

4
79.
4

3
79

8
8
78. 78.
6

0
78.

4

4

78.15

xp
Rmin + 1 -

Từ số liệu trong bảng trên ta vẽ đồ thị đờng nồng độ cân

bằng lỏng(x)_ hơi(y) ta có:Bm ax=0.324 (kẻ tiếp tuyến với đờng nồng độ cân
bằng cắt trục tung ở đâu đó là Bm ax).mà
Rmin=1,59
-Cho các giá trị từ 1đến 7 của Bcó kết quả trong bảng sau:
Bảng2
B
0.324 0.284 0.244
R
1.59 1.95 2.44
Nlt
29
20
Nlt(R+1)
85,55 68,8
.2.2. Tính chỉ số hồi lu thích hợp

0.204
3.11
16

65,76

0.164
4.12
13
66,56

0.124
5.77
12
81,24

0.088
8.49
11
104,9

0.044
16.33
10
163,3

Từ đồ thị N(R+1)_R xác định đợc Rth=3.11 ứng với số đĩa lý thuyết là Nlt=16
trong đó có 13 đoạn luyện và 3 đoạn chng.
Rth: chỉ số hồi lu thích hợp đợc tính theo tiêu chuẩn thể tích tháp nhỏ nhất. Cơ
sở của việc chọn Rth theo tiêu chuẩn thể tích tháp nhỏ nhất là:
V = H.S
H: tỷ lệ với Nlt
G = W.S = P.(R + 1)
S tỷ lệ với R + 1

V = H.S tỷ lệ với Nlt(R + 1)

Giá thành tháp tỷ lệ với V, mà V tỷ lệ với N lt(R + 1), giá thành tháp thấp nhất
ứng
với thể tích tháp nhỏ nhất. Vì vậy cần phải chọn chế độ làm việc thích hợp cho
tháp, tức là Rth.
Trong đó: V: là thể tích của tháp
H: chiều cao của tháp
8


S: tiết diện của tháp
Nlt: số bậc thay đổi nồng độ (số đĩa lý thuyết)
.2.3. Phơng trình đờng nồng độ làm việc của đoạn luyện.
y=

Rx
XP
x+
Rx + 1
Rx + 1

[II 148]

Trong đó:
y: là nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi đi từ dới lên.
x: là nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng chảy từ đĩa
xuống.
Rx : chỉ số hồi lu.
Thay số liệu vào ta có.

y=

Rx
XP
3,11
0,839
x+
=
x+
Rx + 1
R x + 1 3,11 + 1
3,11 + 1

yL = 0,757x + 0,204
I.2.4. Phơng trình đờng nồng độ làm việc của đoạn chng.
y=

Rx + f
f 1
x
xw
Rx + 1
Rx + 1

Trong đó:

f =

[II.158]

F 148,834
=
= 3,845
P 38,706
: lợng hỗn hợp đầu tính cho 1kmol

sản phẩm đỉnh.
Thay số liệu vào ta có.
y=

Rx + f
f 1
3,11 + 3,845
3,845 1
x
xw =
x
.0,016
Rx + 1
Rx + 1
3,11 + 1
3,11 + 1

yc = 1,692x 0,0111

II. Tính đờng kính tháp chng luyện.
Đờng kính tháp đợc xác định theo công thức
D = 0,0188

9

g tb
( y . y ) tb

, (m)

[II - 181]


Trong đó:
gtb: lợng hơi trung bình đi trong tháp, kg/h.
(y.y)tb: tốc độ hơi trung bình đi trong tháp, kg/m2.s
Vì lợng hơi và lợng lỏng thay đổi theo chiều cao của tháp và khác nhau trong
mỗi đoạn nên ta phải tính lợng hơi trung bình cho từng đoạn.
II.1. Đờng kính đoạn luyện.
II.1.1. Xác định lợng hơi trung bình đi trong đoạn luyện.
Lợng hơi trung bình đi trong đoạn luyện tính
gần đúng bằng trung bình cộng của lợng hơi
đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp và lợng hơi
đi vào đĩa dới cùng của đoạn luyện.
g tb =

g d + g1
2
, (kg/h)

[II - 181]

Trong đó:
gtb: lợng hơi trung bình đi trong đoạn luyện, kg/h.

gđ: lợng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp, kg/h.
gl: lợng hơi đi vào đĩa dới cùng của tháp, kg/h.


Lợng hơi ra khỏi đỉnh tháp.
gđ = GR + Gp = Gp(Rx+1)

[II 181]

gđ = 38,706(3,11 + 1)
gđ = 159,08(kJ/h)


Lợng hơi đi vào đoạn luyện: Lợng hơi g1, hàm lợng hơi y1 và lợng lỏng G1
đối với đĩa thứ nhất của đoạn luyện đợc xác định theo hệ phơng trình.
g1 = G1 + Gp
g1.y1 = G1.x1 + Gp.xp
g1.r1 = gđ.rđ

(1)
(2)
(3)

Trong đó:
y1: hàm lợng hơi đi vào đĩa 1 của đoạn luyện, phần khối lợng.
1

[II - 182]

G1: lợng lỏng đối với đĩa thứ nhất của đoạn luyện.
r1: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa.
rđ: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi ra khỏi đỉnh tháp.
x1 = xF = 0,221(phần mol).
y1 = yF =0,371(phần mol).
r1 = ra.y1 + (1-y1).rb

[II - 182]

Với ra, rb: ẩn nhiệt hoá hơi của các cấu tử nguyên chất là Rợu Etylic và Nớc ở
t0 = tF = 82,86(0C)
Nội suy theo bảng I.212 trong [I 254] ta đợc
ra = rC2 H 6O = 38620 ,588
rb = rH 2O = 41843,974

(kJ/kmol).

(kJ/kmol).

r1 = 38620,588.y1 + (1 y1).41843,974
r1 = 40101,089(kJ/kmol).

yđ: hàm lợng hơi đi ra khỏi đỉnh tháp, phần mol.
yđ = yp = 0,8526 (phần mol).
rđ = ra.yđ + (1 - yđ).rb

[II - 182]

Với ra, rb: ẩn nhiệt hoá hơi của các cấu tử nguyên chất là Rợu Etylic và Nớc ở
t0 = tp = 78,530C.

Nội suy theo bảng I.212 trong [I 254] ta đợc
ra = rC2 H 6O = 38953,628
rb = rH 2O = 42169,763

(kJ/kmol).

(kJ/kg).

rđ = 38953,628.0,8526+ (1- 0,8526).42169,763
rđ = 39427,686 (kJ/kmol).

Thay các giá trị đã tính đợc vào hệ phơng trình trên ta đợc
g1 =

g d .rd 159,08.39427,686
=
= 156,4
r1
40101,089

G1=g1-P=156,4-38,706=117,694

Vậy lợng hơi trung bình đi trong đoạn luyện là:
1


g tb L =

g d + g1 159,08 + 156,4
=

= 157,74
2
2
(kg/h).

lợng lỏng trung bình đi trong đoạn luyện là:
g x=(G1+R.P)/2=(117,694+3,11.38,076)/2=118,055(kJ/h).
II.1.2. Tính khối lợng riêng trung bình
Khối lợng riêng trung bình đối với pha hơi đợc tính theo
ytb =

y tb1 .M A + (1 y tb1 ).M B
22,4.T

.273

, kg/m3.

[II -

183]
Trong đó:
MA MB: khối lợng phần mol của cấu tử Rợu Etylic và Nớc
T: nhiệt độ làm việc trung bình của tháp, 0K.
ytb1: nồng độ phần mol của cấu tử 1 lấy theo giá trị trung bình
y tb1 =

y d1 + y c1
2

[II - 183]

Với y d , y c : nồng độ làm việc tại 2 đầu mỗi đoạn tháp, phần mol.
1

1

y d1

= yp = 0,8526 (phần mol).

y c1

= yF = 0,5407 (phần mol).

y tb1 =

y d1 + y c1
2

=

0,839 + 0,5407
= 0,69665
2
(phần mol).

0
0
Với ytb = 0,69665 (phần mol). Từ đồ thị t_xy ta có: t y = 80 ,695 C

L

tb

T = 80,695 + 273 = 353,695 0K.

Vậy khối lợng riêng trung bình của pha hơi đối với đoạn luyện là:
ytb =
ytb =

y tb1 .M 1 + (1 y tb1 ).M 2
22,4.T

.273

0,69665.46 + (1 0,69665).18
= 1,292
22,4.353,695
(kg/m3).

Khối lợng riêng trung bình đối với pha lỏng
1


a tb
1 a tb1
1
= 1 +
xtb xtb1
xtb2

, (kg/m3 ).

[II - 183]

Trong đó:
xtb

: khối lợng riêng trung bình của lỏng, kg/m3.

xtb1 , xtb2

: khối lợng riêng trung bình của cấu tử 1 và 2 của pha lỏng lấy theo

nhiệt
độ trung bình, kg/m3.
a tb1

: phần khối lợng trung bình của cấu tử 1 trong pha lỏng.
a tb1 =

aF + a p
2

=

0,42 + 0,93
= 0,675
2
(phần khối lợng).

t tbo : nhiệt độ trung bình của đoạn luyện theo pha lỏng
xtb1 =

xF + x p
2

=

0,221 + 0,839
= 0,53
2
(phần mol).

t 0 = 79,84 0 C
Với xtb = 0,53 (phần mol). Từ đồ thị t_xy ta có: x
tb

L

ứng với t0 = 79,840C. Nội suy theo bảng I.2 trong [I-9] ta đợc:
xtb1 = 735,152

(kg/m3).

xtb2 = 972,088

(kg/m3).

Vậy khối lợng riêng trung bình của lỏng trong đoạn luyện là:

atb 1 atb1
1
= 1 +
= 0,675 + 1 0,675
xtb xtb1
xtb2
735,152 972,088
xtb = 798,397

kg/m3

II.1.3. Tính tốc độ hơi đi trong tháp
Tốc độ hơi đi trong tháp đệm
= (0,8 ữ 0,9)s
Với s là tốc độ sặc, m/s đợc tính theo công thức
1

[II 187]


Y = 1,2e-4X

[II 187]

s2. d . ytb à x
Y=
.
g .Vd3 . xtb à y
Với
G

X = x
G
y






1/ 4

y
. tb
x
tb











0 ,16

[II 187]

1/ 8

[II 187]

Trong đó:
đ: bề mặt riêng của đệm, m2/m3
Vđ: thể tích tự do của đệm, m3/m3
g: gia tốc trọng trờng, m2/s
Gx, Gy: lợng lỏng và lợng hơi trung bình, kg/s
xtb , ytb

:khối lợng riêng trung bình của pha lỏng và pha hơi, kg/m3

àx, àn: độ nhớt của pha lỏng theo nhiệt độ trung bình và độ nhớt của nớc ở
20oC,

Ns/m2

Tính Gx, Gy.

Ta có Gx=gx.MtbL.
MtbL=xtbL.MR+(1-xtbL).MN.
M
Tính độ nhớt.

- Độ nhớt của nớc ở t = 20oC, Tra bảng I.102 trong [I 94] ta có àn =
1,005.10-3 Ns/m2.
- Độ nhớt của pha lỏng ở t = 61,295 oC. Nội suy theo bảng I.101 trong [I
91] ta đợc.
à A = à C3 H 6O = 0,2281 .10 3

à A = à H 2 = 1.10 3

N.s/m2

N.s/m2

Vậy độ nhớt của pha lỏng tính theo nhiệt độ trung bình là
lgàhh = xtb.lgàA+ (1 - xtb).lgàB
84]
1

[I




lgàhh = 0,665.lg(0,2281.10-3) + (1 0,665)lg(0,3852.10-3)


àhh = àx = 0,27187.10-3 Ns/m2

Thay số liệu ta có
G
X = x
G
y

1/ 4

y
. tb
x
tb






1/ 8

6,12
=

7,88

1/ 4

2,3
.

775,756

1/ 8

= 0,4535

Y = 1,2e-4.0,4535 = 0,196
Chọn loại đệm vòng Rasiga bằng sứ đổ lộn xộn. Số liệu trong [II 193]
Bảng 3.
Kích thớc

Bề mặt riêng

Thể tích tự

Số đệm

Khối lợng riêng

đệm, mm

đ, m2/m3

do Vđ, m3/m3

trong 1m3

xốp, đ, kg/m3

30x30x3,5

165

0,76

25.102

570

Từ công thức:
s2. d . ytb à x

Y=
.
g .Vd3 . xtb à y
s2 =

0 ,16

Y .g .Vd3 . xtb
à
d . ytb . x
à
y






0,16

[II 187]
=

0,196.9,81 .0,76 3.775,756
0,27187 .10 3

165.2,3.
3
1
,
005
.
10



0,16

s2 = 2,1268 m/s


s = 1,4584 m/s

Lấy = 0,8s


= 0,8.1,4584 = 1,1667 m/s

Vậy đờng kính của đoạn luyện là:
DL = 0,0188 .

g tb

28382 ,86
= 0,0188 .
= 1,93
( y . y ) tb
1,1667.2,3

Quy chuẩn đờng kính đoạn luyện là DL = 2m
Thử lại điều kiện làm việc thực tế.
1

m.


- Tốc độ hơi thực tế đi trong đoạn luyện là:
y =

28382 ,86 .0,0188 2
= 1,09
2 2.2,3
m/s

Tỷ số giữa tốc độ thực tế và tốc độ sặc là:

-

tt
1,09
=
= 0,747
s 1,4584

Vậy chọn đờng kính là 2m có thể chấp nhận đợc.
Kiểm tra cách chọn đệm.
d td =


4.Vd 4.0,76
=
= 0,0184
d
165
m

D
2
=
= 108,696
d td 0,0184

II. 2. Đờng kính đoạn chng.
II.2.1. Lợng hơi trung bình đi trong tháp
g

'

tb

g ' n + g '1
=
2

[II - 182]

Trong đó:
gn: lợng hơi đi ra khỏi đoạn chng, kg/h.
g1: lợng hơi đi vào đoạn chng, kg/h.
Vì lợng hơi đi ra khỏi đoạn chng bằng lợng hơi đi vào đoạn luyện (gn= g1)
nên ta có thể viết:
g ' tb =

g 1 + g '1
2

[II - 182]

Lợng hơi đi vào đoạn chng gl, lợng lỏng G1 và hàm lợng lỏng xl đợc xác định
theo hệ phơng trình cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lợng sau:
G1 = g1 + Gw
G1. x1 = g1.yw + Gw.xw
182]
1

[II

-


g1.r1 = g1.r1
Trong đó:
r1: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chng.

xw: thành phần cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy.
r1: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa trên cùng của đoạn chng.
Ta có:
Gw = W = 15261 kg/h.
xw = 0,04 phần mol tơng ứng với 0,03 phần khối lợng
y1 = yw xác định theo đờng cân bằng ứng với xw = 0,04 phần mol.
yw = 0,112 phần mol.



Đổi y1 = yw = 0,112 phần mol ra phần khối lợng ta có:
y '1 = y w =

0,112.58
= 0,0857
0,112.58 + (1 0,112).78
phần khối lợng

r1 = ra. y1 + (1- y1).rb

[II 182]

Với ra, rb: ẩn nhiệt hoá hơi của các cấu tử nguyên chất ở t 0 = tw = 78,660C. Nội
suy theo bảng I.212 trong [I 254] ta đợc.
ra = 497,679 kJ/kg.
rb = 394,541 kJ/kg.

=> r1 = 497,679.0,0857 + (1 0,0857).394,541
r1 = 364,862 kJ/kg
Thay vào hệ phơng trình trên ta đợc:

G1 = g1 + 15261
G1. x1 = g1.0,0857 + 15261.0,03
g1.403,3799 = 30332,09.449,64
Giải hệ phơng trình trên ta đợc:
g1 = 33810,6 kg/h
G1 = 49071,6 kg/h
1


x1 = 0,06838 phần khối lợng
Vậy lợng hơi trung bình đi trong đoạn chng là:
g ' tb C =

g1 + g '1 30332,09 + 33810 ,6
=
= 32071,345
2
2
kg/h.

II.2.2. Tính khối lợng riêng trung bình
Khối lợng riêng trung bình đối với pha hơi đợc tính theo
ytb =

y tb1 .M A + (1 y tb1 ).M B
22,4.T

.273

, kg/m3.

[II - 183]

Trong đó:
MA MB: khối lợng phần mol của cấu tử Rợu Etylic và Nớc
T: nhiệt độ làm việc trung bình của tháp, 0K.
ytbc: nồng độ phần mol của cấu tử 1 lấy theo giá trị trung bình
ytbC =

y d1 + y c1
2

[II - 183]

Với y d , y c : nồng độ làm việc tại 2 đầu mỗi đoạn tháp, phần mol.
1

1

y d1

= y1 = yw = 0,112 phần mol

y c1

= y1 = 0,5095 phần mol

y tbC =

y d1 + y c1

2

=

0,112 + 0,5095
= 0,31075
2
phần mol

Với ytb = 0,31075 phần mol. Nội suy từ số liệu trong bảng IX.2a [II-145] ta đợc
C

t tb0 C = 74,8465 0 C

T = 74,8465 + 273 = 347,8465 0K.

Vậy khối lợng riêng trung bình của pha hơi đối với đoạn chng là:
ytb =
ytb =

1

y tb1 .M 1 + (1 y tb1 ).M 2
22,4.T

.273

0,31075.58 + (1 0,31075).78
.273 = 2,515
22,4.347,8465

kg/m3.


Khối lợng riêng trung bình đối với pha lỏng
a tb
1 a tb1
1
= 1 +
xtb xtb1
xtb2

, kg/m3

[II - 183]

Trong đó:
xtb

: khối lợng riêng trung bình của lỏng, kg/m3.

xtb1 , xtb2

: khối lợng riêng trung bình của cấu tử 1 và 2 của pha lỏng lấy theo

nhiệt
độ trung bình, kg/m3.
a tb1

: phần khối lợng trung bình của cấu tử 1 trong pha lỏng.
atb1 =

a F + a1'
2

Với a1: nồng độ phần khối lợng của pha lỏng ở đĩa dới cùng của đoạn chng.
Ta có: a1 = x1 = 0,06838 phần khối lợng
a tb1 =
t tbo

a F + a1' 0,30 + 0,06838
=
= 0,18419
2
2
phần khối lợng

: nhiệt độ trung bình của đoạn chng theo pha lỏng
xtb1 =

x F + x1'
2

Ta có x1 = 0,06838 phần khối lợng
0,06838
58
x1' =
= 0,08984
0,06838 (1 0,06838 )
+
58

78
phần mol
xtbC =

x F + x1' 0,37 + 0,08984
=
= 0,2299
2
2
phần mol

Với xtb = 0,2299 phần mol. Nội suy từ số liệu trong bảng IX.2a [II-145] ta đợc
C

t x0tb = 71,8432 0 C

ứng với t0 = 71,48320C. Nội suy theo bảng I.2 trong [I-9] ta đợc:
1


xtb1 = 730,0117

kg/m3.

xtb2 = 823,5646

kg/m3.

Vậy khối lợng riêng trung bình của lỏng trong đoạn chng là:
atb 1 atb1

1
= 1 +
= 0,18419 + 1 0,18419
xtb xtb1
xtb2
730,0117 823,5646
xtb = 804 ,573

kg/m3

II.2.3. Tính tốc độ hơi đi trong đoạn chng
Các công thức cũng nh ý nghĩa các ký hiệu có trong các công thức

-

tính tốc độ hơi đi trong đoạn chng tơng tự nh trong đoạn luyện, chỉ khác về trị
số nên trong phần này không giải thích lai.
Tính Gx, Gy.

Ta có Gy = gtb = 32071,345 kg/h
G yC =
G xC

32071,345
= 8,9087
3600
kg/s

G1 + G1' 23993,09 + 49071,6
=

=
= 10,1479
2
2.3600
kg/s

Tính độ nhớt.

- Độ nhớt của nớc ở t = 20oC, Tra bảng I.102 trong [I 94] ta có àn =
1,005.10-3 Ns/m2.
- Độ nhớt của pha lỏng ở totb = 71,8432oC. Nội suy theo bảng I.101 trong [I
91] ta đợc.
à A = à C3 H 6O = 0,2122.10 3
à B = à C6 H 6 = 0,3462.10 3

N.s/m2
N.s/m2

Vậy độ nhớt của pha lỏng tính theo nhiệt độ trung bình là
lgàhh = xtb.lgàA+ (1 - xtb).lgàB
lgàhh = 0,2299.lg(0,2122.10-3) + (1 0,2299)lg(0,3462.10-3)


àhh = àx = 0,3095.10-3 Ns/m2

Thay số liệu đã tính đợc ta có
2

[I 84]

G
X = x
G
y






1/ 4

y
. tb
x
tb






1/ 8

10,1479
=

8,9087

1/ 4

2,515
.

804 ,573

1/ 8

= 0,5024

Y = 1,2e-4.0,5024 = 0,161
Chọn loại đệm vòng Rasiga bằng sứ đổ lộn xộn nh đã chọn ở trên.
Từ công thức:
s2. d . ytb à x
Y=
.
g .Vd3 . xtb à y

=
2
s






0 ,16

Y .g .Vd3 . xtb
à
d . ytb . x
à
y






0,16

[II 187]
=

0,161.9,81 .0,76 3.804 ,573
0,3095.10 3

165.2,515.
3
1,005.10

0 ,16

s2 = 1,623 m/s


s = 1,274 m/s

Lấy = 0,8s


= 0,8.1,274 = 1,0192 m/s

Vậy đờng kính của đoạn luyện là:
DC = 0,0188 .

g tb
32071,345
= 0,0188 .
= 2,103
( y . y ) tb
1,0192.2,515

Quy chuẩn đờng kính đoạn luyện là DC = 2m
Thử lại điều kiện làm việc thực tế.

- Tốc độ hơi thực tế đi trong đoạn chng là:
32071,345.0,0188 2
y =
= 1,1268
2 2.2,515
m/s

-

Tỷ số giữa tốc độ thực tế và tốc độ sặc là:
tt 1,1268
=

= 0,8845
s
1,274

Vậy chọn đờng kính là 2m có thể chấp nhận đợc.
Kiểm tra cách chọn đệm.
2

m.


d td =


4.Vd 4.0,76
=
= 0,0184
d
165
m

DC
2
=
= 108,6957
d td 0,0184

III. Tính chiều cao tháp.
- Đối với tháp đệm, chiều cao làm việc của tháp hay chiều cao lớp đệm đợc
xác định theo công thức:

H = hđv.my (m)

[II



175]
Trong đó:
hđv: chiều cao của một đơn vị chuyển khối, m
my: số đơn vị chuyển khối xác định theo nồng độ pha hơi.
III.1. Tính chiều cao đoạn luyện.
III.1.1. Tính chiều cao của một đơn vị chuyển khối.
- Chiều cao của một đơn vị chuyển khối của tháp đệm phụ thuộc vào đặc trng của đệm và trạng thái pha, đợc xác định theo công thức.
hdv = h1 +

m.G y
Gx

.h2

[II 177]

Trong đó:
h1: chiều cao của một đơn vị chuyển khối đối với pha hơi
h2: chiều cao của một đơn vị chuyển khối đối với pha lỏng
m: hệ số phân bố trung bình ở điều kiện cân bằng pha
Gy, Gx: lu lợng hơi và lỏng trung bình đi trong tháp, kg/s
Tính chiều cao của một đơn vị chuyển khối h1, h2.
h1 =

Vd
. Re 0y, 25 . Pr y2 / 3
a. . d
,m

à
h2 = 256. x
x

2





[II 177]

2/3

.Rx x0, 25 . Prx0,5

,m

[II 177]


Trong đó:
a: hệ số phụ thuộc vào dạng đệm, với đệm vòng thì a = 0,123
àx: độ nhớt của pha lỏng, Ns/m2
Vđ: thể tích tự do của đệm, m3/m3

x: khối lợng riêng của lỏng, kg/m3
: hệ số thấm ớt của đệm, nó phụ thuộc vào tỷ số giữa mật độ tới thực tế lên
tiết diện ngang của tháp và mật độ tới thích hợp, xác định theo đồ thị IX.16 [II
178]

Với

U tt =

Vx
Ft : mật độ tới thực tế, m3/m2.h

Utt = B.đ : mật độ tới thích hợp, m3/m2.h
Trong đó:
Vx: lu lợng thể tích của chất lỏng, m3/h
Ft: diện tích mặt cắt tháp, m2
đ: bề mặt riêng của đệm, m2/m3
B: hằng số, B = 0,065 m3/m.h Bảng IX.6 trong [II 177]
Chọn đệm loại vòng Rasiga có các thông số :

-

30x30x3,5mm
Vđ = 0,76 m3/m3
đ = 165 m2/m3
a = 0,123
Xác định

Ta có

U tt =

Vx
Ft ;

Uth = B.đ
Mà

2

Ft =

.D 2 3,14.2 2
=
= 3,14
4
4
m2

Vx =

Gx 6,12.3600
=
= 28,4
x
775,756
m3/h


U tt =

V x 28,4
=
= 9,0446
Ft 3,14
m3/m2.h

đ = 165 m2/m3
Uth = 0,065.165 = 10,725 m3/m2.h




U tt 9,0446
=
= 0,84
U th 10,725

Tra hình IX.16 trong [II 178] ta đợc L = 0,91
Xác định chuẩn số Reynon

Chuẩn số Reynon của pha hơi:

-

Re y =

0,4. y . s

à y . d

Ta có ày = àhh đợc tính theo

[II 178]
M hh m1 M A m2 M B
=
+
à hh
àA
àB

[I



85]
Trong đó:
Mhh, MA, MB: khối lợng phân tử của hỗn hợp và cấu tử Rợu Etylic và Nớc.
àhh, àA, àB: độ nhớt của hỗn hợp và cấu tử Rợu Etylic và Nớc
m1, m2: nồng độ của Rợu Etylic và Nớc tính theo phần thể tích.
Đối với hỗn hợp khí thì nồng độ phần thể tích bằng nồng độ phần mol, nên m 1
= y1, m2 = y2 = 1 y1.
Thay vào ta có:
y1 .M A + (1 y1 ).M B y1 M A (1 y1 ).M B
=
+
à hh
àA
àB

y1 M A
(1 y1 ) M B
1
1
1
=
.
+
.
à hh y1 M A + (1 y1 ) M B à A y1 M A + (1 y1 ) M B à B



a
a
a
1 a1
1
= 1 + 2 = 1 +
à hh à A à B 2 à A
àB

a1, a2: nồng độ phần khối lợng của Rợu Etylic và Nớc.

2


Ta có ytb = 0,7348 phần mol
1

a1 =

y tb1 .M A

(

)

y tb1 .M A + 1 y tb1 .M B

=

0,7348.58
0,7348.58 + (1 0,7348).78

a1 = 0,6732 phần khối lợng
Từ dụng toán đồ hình I.35 trong [I 117] với X A = 8,8; YA = 13,0; XB = 8,5;
YB =13,2 và to = 62,27450C ta tìm đợc.
à A = 0,0088 .10 3 N.s/m2
à B = 0,0086 .10 3 N.s/m2


1
0,6732
1 0,6732
=
+
3
à hh 0,0088 .10

0,0086 .10 3

=> àhh = 8,7336.10-6 N.s/m2
Re y =

-

0,4.2,3.1,4584
= 931,08
8,7336.10 6.165

Chuẩn số Reynon của pha lỏng:
Re x =

0,04.G x
Ft . d .à x

[II 178]

Trong đó:
Gx: lu lợng lỏng trung bình đi trong tháp, phần trớc đã tính đợc Gx = 6,12 kg/s
Ft: diện tích mặt cắt của tháp, Ft = 3,14 m2
đ = 165 m2/m3
àx = 0,27187.10-3Ns/m2
Vậy chuẩn số Reynon của pha lỏng là:
Re x =

0,04.G x
0,04.6,12
=

= 1,7379
Ft . d .à x 3,14.165.0,27187 .10 3

Xác định chuẩn số Pran.
-

2

Chuẩn số Pran của pha hơi: