Đồ án kĩ thuật thực phẩm II chu hoàng thành

Đồ án KTTP

GVHD: Phạm Thị Thu Hoài

MỤC LỤC
Trang
Lời mở đầu.......................................................................................................2
Chương I : Tổng quan...................................................................................3
Chương II : Hệ thống chưng luyện................................................................6
Chương III : Tính toán kỹ thuật thiết bị chính..............................................8
I. Tính cân bằng vật liệu...........................................................8
1. Tính cân bằng vật liệu.....................................................8
2. Xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu.....................................9
3. Số đĩa lý thuyết...............................................................11
II. Tính đường kính tháp .........................................................12
1. Tính tốc độ hơi đoạn luyện ............................................12
2. Tính tốc độ hơi đoạn chưng............................................17
3. Tính đường kính tháp.....................................................21
III. Tính chiều cao tháp............................................................21
IV. Tính trở lực tháp ...............................................................22
a. Đoạn luyện......................................................................23
b. Đoạn chưng.....................................................................25
Chương IV: Tính cân bằng nhiệt lượng........................................................27
Chương V: Chọn thiết bị phụ.........................................................................33
Kết luận ........................................................................................................... 34
Tài liệu tham khảo .........................................................................................35

1
Chu Hoàng Thành | ĐHTP7A1HN

trang 1

Đồ án KTTP

GVHD: Phạm Thị Thu Hoài

LỜI MỞ ĐẦU
Trong công nghệ thực phẩm hiện nay, quá trình chưng luyện là một khâu quan
trong trong sản xuất dùng để tách chiết các cấu tử quý trong nguyên liệu. Phương pháp
này đã có từ rất lâu đời mà dễ thấy nhất chính là quá trình chưng cất rượu để tạo ra các
sản phẩm rượu đã được ưa chuộng từ ngàn năm nay.
Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, quá trình chưng luyện giờ đây
đã có thể sử dụng với nhiều loại nguyên liêu, tách chiết được nhiều loại chất quý dựa
vào nhiệt độ sôi khác nhau của từng loại cấu tử ta tìm được trong nguyên liệu. Góp
phần gia tăng giá trị thương phẩm của sản phẩm mà vẫn giảm được không ít bất tiện.
Ví dụ trước đây để bổ sung Vitamin A ta phải ăn nhiều các loại rau quả, cá, hay các
nguyên liệu thô chứa Vitamin A, giờ đây với phương pháp chưng luyện ta đã có thể
tách chiết vitamin A thậm chí cả các loại chất khác ra khỏi nguyên liệu và đưa trực
tiếp vào sản phẩm. Với lợi ích to lớn như thế, có thể nói chưng luyện là một quá trình
vô cùng quan trọng trong nghệ thực phẩm nói riêng và nền công nghiệp nói chung.
Về môn học Kỹ thuật thực phẩm, đây là một môn học cơ sở rất cần thiết, môn
học này giúp ta biết rõ về các loại thiết bị sử dụng, cách thức hoạt động, cơ sở lý
thuyết của các quá trình công nghệ trong ngành công nghệ thực phẩm.
Nhiệm vụ của đồ án kỹ thuật thực phẩm là giúp sinh viên hiểu rõ và hiểu đúng
về thiết kế các loại thiết bị trong quá trình đã học. Ở đây, tôi giới thiệu một bài thiết kế
tháp chưng luyện loại tháp đệm dùng để tách cấu tử Metylic khỏi hỗn hợp Metylic Nước.

2
Chu Hoàng Thành | ĐHTP7A1HN

trang 2


Đồ án KTTP

GVHD: Phạm Thị Thu Hoài

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CHƯNG LUYỆN
1) Cơ sở lý thuyết về quá trình chưng luyện:
1.1) Khái niệm:
- Chưng cất là quá trình tách các cấu tử lỏng cũng như hỗn hợp khí lỏng thành
các cấu tử riêng biệt dựa vào nhiệt độ bay hơi khác nhau của từng cấu tử trong hỗn
hợp.
- Quá trình chưng cất thực hiện dựa trên quá trình gia nhiệt để chuyển pha cho
một cấu tử (lỏng sang hơi) rồi tách ra khỏi hỗn hợp nhờ quá trình ngưng tụ. Nghĩa là ta
đưa nhiệt độ của hỗn hợp đến nhiệt độ sôi của cấu tử dễ bay hơi và giữ nguyên ở trạng
thái đó để làm bay hơi cấu tử dễ bay hơi nhưng không làm cho cấu tử còn lại bị bay
hơi (không nâng nhiệt đến nhiệt độ bay hơi của cấu tử còn lại).
- Quá trình chưng cất và cô đặc khá giống nhau, sự khác nhau cơ bản của 2 quá
trình này là trong chưng cất các cấu tử đều có thể bay hơi còn trong cô đặc chỉ có dung
môi bay hơi.
- Ở đây ta sử dụng với hệ Metylic - Nước:
+ Sản phẩm đỉnh chủ yếu là Metylic (do Metylic có nhiệt độ sôi thấp hơn
Nước).
+ Sản phẩm đáy chủ yếu là Nước (do Nước có nhiệt độ sôi cao hơn Metylic).
1.2) Phân loại các phương pháp chưng cất:
Ta có thể phân loại các phương pháp chưng cất theo:
- Áp suất làm việc:
+ Áp suất thấp.

+ Áp suất thường.
+ Áp suất cao.
- Nguyên lý làm việc:
+ Chưng một bậc.
+ Chưng lôi cuốn theo hơi nước.
+ Chưng cất.
- Theo cách thức cấp nhiệt:
+ Cấp nhiệt trực tiếp.
+ Cấp nhiệt gián tiếp.
Đối với hệ Metylic - Nước ta chọn phương pháp chưng cất liên tục ở áp suất
thường (do nhiệt đọ sôi của Benzen ở điều kiện thường vào khoảng 80oC nên
ta chon theo phương pháp này).

2) Giới thiệu về nguyên liệu:

3
Chu Hoàng Thành | ĐHTP7A1HN

trang 3


Đồ án KTTP

GVHD: Phạm Thị Thu Hoài
Nước
- Công thức cấu tạo là H2O

Giới
thiệu
chung

Tính
- Khối lượng phân tử: 18 đvC
chất vật - Nhiệt độ sôi: 100oC (đk thường)
lý

Metylic
- Công thức cấu tạo: CH3OH

- Khối lượng phân tử: 32 đvC
- Nhiệt độ sôi: 64,5oC (đk thường)

Hỗn hợp Metylic - Nước :
Ta có bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Metylic Nước ở 760 mmHg.( bảng IX.2a - Sổ tay quá trình và thiết bị II – trang 149)
x (% phân
0
5
10
20
30
40
50
60
70
80
90
10
mol)
y (% phân
0
26,8 41,8 57,9 66,5 72,9 77,9 82,5 87

91,5 95,8 10
mol)
t (oC)

100

92,3

87,7

81,7

78

75,3 73,1 71,2 69,3 67,6 66

3) Cấu tạo thiết bị chưng luyện:
- Trong sản xuất, người ta thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để tiến
hành chưng cất. 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 phun, …Ở đây ta khảo sát 2 loại thường dùng là tháp đĩa và tháp đêm.
Tháp đĩa: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có cấu tạo
khác nhau, trên đó pha lỏng và pha hơi đượ cho tiếp xúc với nhau. Tuỳ 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.
So sánh ưu nhược điểm của các loại tháp :
Tháp đêm

Tháp mâm xuyên lỗ

Tháp chóp

- Cấu tạo khá đơn giản.
- Trở lực tương đối - Khá ổn định.
thấp.
- Trở lực thấp.
- Hiệu suất cao.
Ưu điểm - Làm việc được với chất lỏng - Hiệu suất khá cao.
bẩn nếu dùng đệm cầu có ρ ≈
ρ của chất lỏng.

4
Chu Hoàng Thành | ĐHTP7A1HN

trang 4

64


Đồ án KTTP

Nhược
điểm

GVHD: Phạm Thị Thu Hoài
- Do có hiệu ứng thành → - Không làm việc được
với chất lỏng bẩn.
hiệu suất truyền khối thấp.
- Độ ổn định không cao, khó - Kết cấu khá phức tạp.
vận hành.
- Do có hiệu ứng thành → khi
tăng năng suất thì hiệu ứng
thành tăng → khó tăng năng
suất.
- Thiết bị khá nặng nề.

5
Chu Hoàng Thành | ĐHTP7A1HN

- Có trở lực lớn.
- Tiêu tốn nhiều
vật tư, kết cấu
phức tạp.

trang 5


Đồ án KTTP

GVHD: Phạm Thị Thu Hoài

CHƯƠNG II
HỆ THỐNG CHƯNG LUYỆN
1) Sơ đồ hệ thông dây chuyền sản suất:

Chú thích
1-Thùng chứa hỗn hợp đầu

5-Tháp chưng luyện

2-Bơm

6-Thiết bị ngưng tụ hồi lưu

3-Thùng cao vị

7-Thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh

4-Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu

8-Thùng chứa sản phẩm đỉnh

9-Thiết bị gia nhiệt đáy

10-Thùng chứa sản phẩm đáy
11-Thiết bị tháo nước ngưng

2) Thuyết minh dây chuyền công nghệ hệ thống chưng luyện:
•

Thuyết minh quá trình:

6
Chu Hoàng Thành | ĐHTP7A1HN

trang 6


Đồ án KTTP

GVHD: Phạm Thị Thu Hoài
- Bơm số 2 sẽ đẩy hỗn hợp đầu (số 1) vào thùng cao vị (số 3). Quá trình này là
quá trình tạo áp suất cho hỗn hợp đầu khi đưa vào tháp.
- Từ thùng cao vị (số 3) hỗn hợp đầu sẽ đi qua thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu (số
4) để gia nhiệt trước rồi đưa vào tháp. Công đoạn này nhằm nâng nhiệt ban đầu
của hỗn hợp để rút ngắn thời gian chưng cất.
- Trong tháp sẽ xảy ra các quá trình sau:
+ Ở giai đoạn đầu, nhiệt nặng khi gia nhiệt trước khi vào tháp chưa dủ để làm
bay hơi hết Metylic nên trong sản phẩm đáy chứa tỷ lệ Metylic khá cao. Do
vậy hỗn hợp đáy ban đầu sẽ được hồi lưu toàn bộ và gia nhiệt thêm. Còn
phần cấu tử bay hơi sẽ được ngưng tụ (số 6) rồi qua thiết bị làm lạnh (số 7)
và chuyển về thùng chứa (số 8).
+ Sau một thời gian, hỗn hợp đáy được gia nhiệt đến quá nhiệt độ sôi của cấu
tử Metylic (chưa đến nhiệt độ sôi của hỗn hợp), Metylic trong hỗn hợp đáy
sẽ bay hơi đi qua các lỗ đệm lên đỉnh tháp qua thiết bị ngưng tụ (số 6) sau đó
được hồi lưu một phần còn lại sẽ đến thiết bị làm lạnh (số 7) và chuển đến
thùng chứa (số 8).
+ Sau khi nồng độ Metylic trong hỗn hợp đáy đạt đến tỷ lệ nhất định, hỗn
hợp đáy sẽ được tháo ra một phần, phần còn lại vẫn tiếp tục được ra nhiệt (số
9) rồi đưa lại vào đáy tháp (số 5).
Ở đây thiết bị gia nhiệt (số 9) có thể đặt ở trong tháp hoặc ngoài tháp đều
được.

•

Giải thích quá trình
- Ở đây ta chọn tháp đệm nên trong tháp sẽ rải các lớp đệm chồng lên nhau
nhằm tăng diện tích bề mặt tiếp xúc giữa hơi và hỗn hợp đầu.
- Quá trình chưng luyện sẽ theo chiều như sau:
+ Cấu tử hơi của Metylic sẽ đi từ dưới lên đỉnh tháp, còn cấu tử lỏng của
Metylic trong hỗn hợp đầu sẽ đi từ khoảng giữa tháp xuống và trong hồi lưu
thì đi từ gần đỉnh tháp xuống.
+ Cấu tử lỏng Nước sẽ đi từ giữa tháp xuống.

7
Chu Hoàng Thành | ĐHTP7A1HN

trang 7


Đồ án KTTP

GVHD: Phạm Thị Thu Hoài

CHƯƠNG III
TÍNH TOÁN KỸ THUẬT THIẾT BỊ CHÍNH
- Năng suất thiết bị tính theo hỗn hợp đầu:
- Nồng độ hỗn hợp đầu:
- Nồng độ sản phẩm đỉnh:
- Nồng độ sản phẩm đáy:

2 kg/s = 7200 kg/h
aF = 15 % khối lượng
aP = 98 % khối lượng

aW = 1,5 % khốlượng

Ta có: MA = 32 : khối lượng phân tử của Metylic
MB = 18 : khối lượng phân tử của Nước

I. Tính cân bằng vật liệu
1. Tính cân bằng vật liệu
MF = aF .MA + (1- aF).MB = 0,15.32 + (1-0.15).18 = 101,7 (kg/kmol)
MP = aP.MA + (1- aP).MB = 0,98.32 + (1-0,98).18 = 31,72
(kg/kmol)
MW = aW.MA + (1- aW).MB = 0,015.32 + (1-0,015).18 = 18,21 (kg/kmol)
Theo phương trình cân bằng vật liệu cho toàn tháp:
F= P + W
Và phương trình cân bằng vật liệu cho cho cấu tử dễ bay hơi:
F.aF = P.aP + W.aW
Suy ra, lượng sản phẩm đáy là:
aP − aF
0,98 − 0,15
a −a W
0,98 − 0,015
W= F . P
= 2.
= 1,7202 (kg/s) = 6192,72

(kg/h)
Vậy lượng sản phẩm đỉnh là:
P= F – W = 2–1,7202 = 0,2792 (kg/s) = 1007,28(kg/h)

Chuyển đổi nồng độ khối lượng sang nồng độ phần mol:

8
Chu Hoàng Thành | ĐHTP7A1HN

trang 8


Đồ án KTTP

GVHD: Phạm Thị Thu Hoài
aF
MA
aF 1 − aF
+
MA
MB

xF =

aP
MA
aP 1 − aP
+
MA
MB

xp =

xW =

0,15

32
0,15 1 − 0,15
+
32
18 = 0,09 (kmol/kmol)
=
0,98
32
0,98 1 − 0,98
+
32
18 = 0,97 (kmol/kmol)
=

aW
MA
aW
1 − aW
+
MA
MB

0,015
32
0,015 1 − 0,015
+
32
18
=
= 0,01

(kmol/kmol)

Tính lượng hỗn hợp đầu F’, lượng sản phẩm đỉnh P’, lượng sản phẩm đáy W’ theo
kmol/s:
 aF 1 − aF

+
MB
F' = MA


.F


 a
1 − aP
P ' =  P +
MB
MA


 0,98 1 − 0,98 
−3
.P = 
+
.0,2792 = 8,86 .10
18 
 32


W

'

a
1 − aW
=  W +
MB
 MA

=

 0,15 1 − 0,15 
+

.2 = 0,104
18 
 32


.W


(kmol/s)

 0,015 1 − 0,015 
=
+
.1,7202 = 0,095

18 
 32

(kmol/s)

(kmol/s)

2.Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp.
a. Chỉ số hồi lưu tối thiểu.
Tỉ số hoàn lưu tối thiểu là chế độ làm việc mà tại đó ứng với số mâm lý thuyết là
vô cực. Do đó, chi phí cố định là vô cực nhưng chi phí điều hành( nhiên liệu, nước,
bơm,…) là tối thiểu.
Ta có bảng thành phần cân bằng lỏng(x) – hơi(y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp
Metylic - Nước ở 1 atm như sau:
(Dựa theo bảng IX.2a - Sổ tay quá trình và thiết bị II – trang 149)
x (% phân
0
mol)
y (% phân
0
mol)
t (oC)

100

5

10

20

30

26,8

41,8

57,9

66,5 72,9 77,9 82,5 87

92,3

87,7

81,7

78

9
Chu Hoàng Thành | ĐHTP7A1HN

40

50

60

70

80

90

10

91,5 95,8 10

75,3 73,1 71,2 69,3 67,6 66

trang 9

64


Đồ án KTTP

GVHD: Phạm Thị Thu Hoài

Từ đồ thị H1: đồ thị y-x biểu diễn đường cân bằng
xF = 0,09 dùng phương pháp nội suy, ta có y*F = 0,48
Vậy, chỉ số hồi lưu tối thiểu:
Rmin

x P − y F∗ 0,97 − 0,48
= ∗
=
= 1,256
y F − x F 0,48 − 0,09

b. Chỉ số hồi lưu thích hợp
Chỉ số hồi lưu thích hợp được xác định theo công thức:
R = Rth = β .RMin

β=
Ta có:

R
Rmin

Với mỗi giá trị của
thuyết tương ứng.
+ Với

(với
β

β∈
[1,2; 2,5] là hệ số hồi lưu)

cho ta mỗi giá trị của R và từ đó xác định được số đĩa lý

β = 1,5 ⇒ R = 1,5.1,256 = 1,884

Vậy phương trình làm việc của đoạn luyện là :
y=

xp
R
.x +

R +1
R +1

→y=

1,884
0,97
x+
1,884 + 1
1,884 + 1

→ y = 0,65 x + 0,336

(Đồ thị H2)

→ m = y (0) = 0,336

+ Với

→ Từ đồ thị H2 ta xác định được N=19
β = 1,8 ⇒ R = 1,8.1,256 = 2,26

Vậy phương trình làm việc của đoạn luyện là :
y=

xp
R
.x +
R +1
R +1

→y=

2,26
0,97
x+
2,26 + 1
2,26 + 1

→ y = 0,693 x + 0,298

(Đồ thị H3)

→ m = y (0) = 0,298

+ Với

→ Từ đồ thị H3 ta xác định được N=15
β = 2,1 ⇒ R = 2,1.1,256 = 2,638

10
Chu Hoàng Thành | ĐHTP7A1HN

trang 10


Đồ án KTTP

GVHD: Phạm Thị Thu Hoài
Vậy phương trình làm việc của đoạn luyện là :

y=

xp
R
.x +
R +1
R +1

→y=

2,638
0,97
x+
2,638 + 1
2,638 + 1

→ y = 0,725 x + 0,27

(Đồ thị H4)

→ m = y (0) = 0,27

+ Với

→ Từ đồ thị H4 ta xác định được N=13
β = 2,5 ⇒ R = 2,5.1,256 = 3,14

Vậy phương trình làm việc của đoạn luyện là :
y=

xp
R
.x +
R +1
R +1

→y=

3,14
0,97
x+
3,14 + 1
3,14 + 1

→ y = 0,76 x + 0,23

(Đồ thị H5)

→ m = y (0) = 0,23

→ Từ đồ thị H5 ta xác đình được N=12

Thiết lập quan hệ R-N(R+1) qua bảng sau
β

1,5

1,8

2,1

2,5

R
N
N.(R+1)

1,884
19
54,8

2,26
15
48,9

2,638
13
47,3

3,14
12
49,68

Từ bảng số liệu, ta xây dựng đồ thị (H6) biểu diễn mối quan hệ R – N(R+1)
Dựa vào đồ thị H6, ta xác định được Rth = 2,638
c. Phương trình đường nồng độ làm việc
- Đường nồng độ làm việc đoạn chưng
Lượng hỗn hợp đầu tính theo 1 kmol sản phẩm đỉnh:
F'
0,104

f = ' =
= 11,74
P
8,86 .10 −3
y=

Phương trình:

11
Chu Hoàng Thành | ĐHTP7A1HN

Rth + f
1− f
x+
xW
Rth + 1
Rth + 1

(T158, [3])

trang 11


Đồ án KTTP

GVHD: Phạm Thị Thu Hoài
⇔y=

2,638 + 11,74
1 − 11,74

x+
.0,01
2,638 + 1
2,638 + 1

⇔ y = 3,95 x − 2,95

- Đường nồng độ làm việc đoạn luyện
y=

Phương trình:

Rth
xP
x+
Rth + 1
Rth + 1

⇔ y=

(T144, [3])

2,638
0,97
x+
2,638 + 1
2,638 + 1

⇔ y = 0,73x + 0,27

3. Số đĩa lý thuyết
Với Rth = 2,638 dựa vào đường cân bằng và đường nồng độ làm việc, ta xác
định được số đĩa lý thuyết.
NLT =13

II. Tính đường kính tháp
Đường kính được xác định theo công thức:
(Sổ tay quá trình và thiết bị II - IX.90 – tr 181)
D = 0,0188

g tb
( ρ y ω y ) tb

Để tính đường kính tháp, ta phải tính các giá trị sau:
1. Tính lưu lượng trung bình các dòng pha đi trong tháp.
2. Tính khối lượng riêng trung bình của các dòng pha đi trong tháp.
3. Tính tốc độ hơi đi trong tháp.
4. Tính đường kính của tháp.

1. Tính tốc độ hơi đoạn luyện.
Lượng hơi đi trong đoạn luyện có thể tính gần đúng bằng trung bình
cộng của lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (gđ) và lượng hơi đi vào
đĩa dưới cùng của đoạn luyện (g1).
g tb =

g đ + g1
2
(kg/h)

(CT IX.91/T181, [3]

* Lượng hơi đi vào đoạn luyện được xác định theo hệ phương trình cân
bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng như sau:

12
Chu Hoàng Thành | ĐHTP7A1HN

trang 12


Đồ án KTTP

GVHD: Phạm Thị Thu Hoài
 g1 = G1 + G p

 g1 y1 = G1 x1 + G p x p

 g1 r1 = g đ rđ

Coi:

(*)

(CT IX.93-94-95/T182, [3]

x1 = x F = 0,09
y đ = x p = 0,97

Với: r1- ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất
rđ- ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp di ra khỏi đỉnh tháp
g1- lượng hơi đi vào đĩa cuối cùng của đoạn luyện

G1- lượng lỏng đi vào đĩa thứ nhất của đoạn luyện
r1 = ra y1 + (1 − y1 ).rb

rđ = ra y đ + (1 − y đ ).rb

Ta có
(T182, [3])
Với ra, r b là ẩn nhiệt hóa hơi của các cấu tử nguyên chất Metylic, Nước.
- Nhiệt độ sôi của hỗn hợp đỉnh (xp=0,97) tp=98,5oC (Nội suy II-149)
Nội suy theo bảng r-to [I.212][I-254] với to=98,5oC, ta có:
ra=242,8625 kcal/kg =1016,82.103 (J/kg)
r b=540,5 kcal/kg = 2262,97.103 (J/kg)
<Đổi đơn vị: 1kcal/kg = 4,1868.103J/kg>
⇒ rđ = ra y đ + (1 − y đ )rb

= 1016,82.103.0,97+(1-0,97). 2262,97.103
=1054,2.103 (J/kg)
- Nhiệt độ sôi của hỗn hợp đầu (xF =0,09) tF =99,86oC ( Nội suy II-149)
Nội suy theo bảng r-to [I.212][I-254] với to=99,86oC, ta có:
ra=242,08 kcal/kg = 1013,54.103 (J/kg)
rb=539,14 kcal/kg = 2257,27.103 (J/kg)
<Đổi đơn vị: 1kcal/kg = 4,1868.103J/kg>
⇒ r1 = ra y1 + (1 − y1 )rb

= 1013,54.103.y1+(1-y1).2257,27.103= -1243,73.103. y1+2257,27.103
Ta có lượng hơi trung bình đi ra khỏi đỉnh tháp:
(với Rx = Rth =2,638)
gđ = GR + GP = GP (Rx+1)
(CT IX.92/T181, [3])
=1007,28.(2,638+1) =3664,48 (kg/h)

Ta có: GR = gđ – GP = 3664,48 - 1007,28 = 2657,2 (kg/h)
Phân tử lượng trung bình của hỗn hợp ở đỉnh tháp là:
32.0,97 + 18.(1 − 0,97) = 31,58

13
Chu Hoàng Thành | ĐHTP7A1HN

trang 13


Đồ án KTTP

GVHD: Phạm Thị Thu Hoài
gđ =

Suy ra:
GP =
GR =

3664,48
= 116,04
31,58
1007,28
= 31,89
31,58
2657,2
= 84 ,14
31,58

(kmol/h)

(kmol/h)

(kmol/h)

Theo hệ phương trình (*) ta có:
+)
+)

g1 = G1 + G P → G1 = g1 − G P
g1 . y1 = G1 .x1 + G p .x P

g1 .r1 = g đ .rđ → g1 =

+)
Thay (1) vào (2) ta có:

(1)
(2)

g đ .rđ
r1

(3)

g1 . y1 = g1 .x1 − G P .x1 + G P .x P
→ g1 =

G P .( x P − x1 )
y1 − x1

(4)
Mà r1 = -1243,73.10 . y1 + 2257,27.103
Từ (3), (4), (5) suy ra:
3

(5)

G P .( x P − x1 )
g đ .rđ
=
3
y1 − x1
- 1243,73.10 . y1 + 2257,27.10 3
→

31,89 .( 0,97 − 0,09)
116,04.1054,2.10 3
=
y1 − 0,09
- 1243,73.103. y1 + 2257,27.10 3

→ y1 = 0,473

(6)

Thay (6) vào (4) ta có:
g1 =

G P .( x P − x1 ) 31,89 .( 0,97 − 0,09)
=

y1 − x1
0,473 − 0,09

→ g1 = 73,27

(kmol/h)
Thay (7) vào (1) ta có:

(7)

G1 = g1 − G P = 73,27 − 31,89 = 41,38

(kmol/h)

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện là:
g tb =

g đ + g1 116,04 + 73,27
=
= 94,655
2
2

(kmol/h) (T181, [3])

Nồng độ phần mol trung bình trong đoạn luyện là:

14
Chu Hoàng Thành | ĐHTP7A1HN

trang 14


Đồ án KTTP

GVHD: Phạm Thị Thu Hoài
y tb =

y đ + y1 0,97 + 0,473
=
= 0,7215
2
2
(kmol/kmol)

Phân tử lượng trung bình của hơi trong đoạn luyện là:
M A . y tb + M B .(1 − y tb ) = 32.0,7215 + 18.(1 − 0,7215) = 28,101
⇒ g tb = 94,655.28,101 = 2,66.10 3

(kg/h)

G1 = 41,38( kmol / h ) = 1162,8( kg / h )

* Đối với pha hơi.
Khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp được xác định theo công thức:
ρ ytb =

[ ytb .M 1 + (1 − y tb ).M 2 ].273
22,4.T

, kg/m3 (CT IX.102/T183, [3])

Trong đó:
M1, M2 – khối lượng mol của Metylic và Nước
T: Nhiệt độ làm việc trung bình của tháp, hay của đoạn chưng hay
đoạn luyện,tính theo oK
Ytb- Nồng độ phần mol của cấu tử metylic
y tb =

y đ 1 + y c1
= 0,7215
2

Yđ1, yc1- nồng độ đầu và cuối đoạn luyện
Phân tử lượng trung bình của đoạn luyện:
Ytb.M1+(1-ytb).M2 =28,101
Nhiệt độ trung bình của hỗn hợp trong đoạn luyện là:
t tb =

t F + t P 98,5 + 99,86
=
= 99,18
2
2
o
C

Thay vào công thức tính khối lượng trung bình của hỗn hợp, ta có:
ρ ytb =

28,101.273
= 0,92
22,4.( 99,18 + 273)

(kg/m3)

* Đối với pha lỏng.
Khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp được xác định theo công thức:
a
1 − atb1
1
= tb1 +
ρ xtb ρ xtb1
ρ xtb 2

(CT IX.104a/183, [3]

Trong đó:
ρ xtb

- khối lượng riêng trung bình của pha lỏng lấy theo nhiệt độ
trung bình ở đoạn luyện với t=99,18 oC
atb1- phần khối lượng trung bình của Benzen trong pha lỏng
Nội suy theo bảng I.2 tài liệu số 2 trang 9, dựa theo t=99,18 oC, ta có:

15
Chu Hoàng Thành | ĐHTP7A1HN

trang 15

Đồ án KTTP

GVHD: Phạm Thị Thu Hoài
ρ xtb1 = 714,9

ρ xtb2 = 958,6

(kg/m3)

(T9, [2]

(kg/m3)

ρ xtb1 ρ xtb2
,
- khối lượng riêng trung bình của Metylic, Nước tinh khiết của
pha lỏng theo nhiệt độ trung bình
Nồng độ trung bình của đoạn luyện:
15% + 98%
atb1 =
= 56,5%
2

Thay vào công thức tính khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp, ta có:
1
0,565 1 − 0,565
=
+
ρ xtb 714,9

958,6

⇒ ρ xtb = 803,79

(kg/m3)
Vận tốc khí đi trong tháp được xác định theo công thức:
Y = 2,95.e −4 X

(CT IX.114/187, [3])

Trong đó
ω s2 .σ d .ρ ytb  µ x 
Y=
. 
g .Vd3 .ρ xtb  µ n 
G
X = x
G
 y

1

0 ,16

1

 4  ρ ytb  8
 .

 ρ 

  xtb 

ω, ωs: tốc độ làm việc của tháp, tốc độ sặc, m/s
σđ : bề mặt riêng của đệm, m2/m3.
Vd: thể tích tự do của đệm, m3/m3.
g: gia tốc trọng trường
Gx, Gy: lượng lỏng và lượng hơi trung bình đi trong tháp, kg/s
μx, μn : độ nhớt của pha lỏng theo nhiệt độ trung bình và độ nhớt
của nước ở 20oC theo bảng I.101 tài liệu số 2 trang 92 ta
o

µ n = 1,0.10 −3

được độ nhớt của nước ở 20 C là
N.s/m2.
Chọn đệm Rasiga bằng sứ đổ lộn xộn kích thước đệm 25x25x3
mm. Tra bảng IX.8 tài liệu số 3 trang 193 ta được các thông
số sau:
σđ=195m2/m3
ρđ=600 kg/ m3
Vđ = 0.75 m3/m3
số đệm trong một mét khối là 46.103
ω = ( 0,8 ÷ 0,9 ).ω s
Tốc độ làm việc

16
Chu Hoàng Thành | ĐHTP7A1HN

trang 16

Đồ án KTTP

GVHD: Phạm Thị Thu Hoài
Độ nhớt của pha lỏng theo nhiệt độ trung bình có thể được tính theo công
thức sau:
lg µ x = xtb . lg µ1 + (1 − µ 2 ). lg µ 2
xtb =

x F + x P 0,09 + 0,97
=
= 0,53
2
2

Tra trên bảng I.101 tài liệu số 2 trang 92, ứng với nhiệt độ trung bình
của đoạn luyện và đoạn chưng ta có:
−3
t tb
µ1 = 0,33.10 −3
o
2 µ 2 = 0,287 .10
= 99,18 C,
N.s/m ,
N.s/m2
Ta có:
lg µ xl = xtb . lg µ1 + (1 − µ 2 ). lg µ 2
lg µ xl = 0,53. lg(0,33.10 −3 ) + (1 − 0,53). lg(0,287 .10 −3 )

⇒ µ xl = 0,31.10 −3 ( N .s / m 2 )

Lượng lỏng và lượng hơi trung bình đi trong tháp là:
Gx =

G R + G1 2657,2 + 1162,8
=
= 1910( kg / h )
2
2

G y = 2,66.10 3 ( kg / h )

Thay các giá trị vào công thức ở trên ta tính được tốc độ làm việc của
đoạn luyện:
G
Xl =  x
G
 y

1

1

1

1

 4  ρ ytb  8  1910  4  0,92  8
 .
 = 

 .
 = 0,395
3 
 ρ 
 2,66.10   803,79 
  xtb 

Yl = 2,95.e −4 X l = 2,95.e −4.0,395 = 0,608

ω sl2 .σ d .ρ ytb  µ xl
Yl =
.
g.Vd3 .ρ xtb  µ n





0 ,16

Y1 .g.Vd3 ρ xtb  µ n
⇒ ω sl =
.
.
σd
ρ ytb  µ xl
⇒ ω sl =






0 ,16

0,608.9,8.0,753 803,79  10 −3 

.
.
195
0,92  0,31.10 −3 

0 ,16

= 3,7

⇒ ω l = 0,84 .3,7 = 3,108(m / s)

2. Tính tốc độ hơi đoạn chưng
Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng được tính gần đúng theo công
thức:

17
Chu Hoàng Thành | ĐHTP7A1HN

trang 17


Đồ án KTTP

GVHD: Phạm Thị Thu Hoài

g ' tb =

g ' n + g '1
2

(CT IX.96/T182, [3])
Vì lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đoạn luyện
g’n=g1 nên ta có thể viết:
g 1 + g '1
2

g ' tb =

(CT IX-97/T182, [3])
Lượng hơi đi vào đoạn chưng g 1, lượng lỏng G1 và hàm lượng lỏng x’1
được xác định theo hệ phương trình cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt
lượng sau:
’

G '1 = g '1 + G w
 ' '
'
G 1 x 1 = g 1 y w + G w x w
 ' '
'
'
 g 1 r 1 = g n r n = g 1 r1

(**)

(T182, [3])

Trong đó:
x = 0,01 ⇒ y = 0,05

w
y’1=yw tìm trên đường cân bằng ứng với w
r’1- ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào trong đĩa thứ nhất của
đoạn chưng

r '1 = ra y '1 + (1 − y '1 ).rb

Nhiệt độ sôi của hỗn hợp đĩa thứ nhất của đoạn chưng với nồng độ
Metylic (xw=0,01) tw = 99,98oC (Nội suy bảng trang 146 tài liệu số 3)
Nội suy theo bảng r-to I.2122 tài liệu số 2 trang 254] với to=99,98oC, ta
có:
ra=242,012 kcal/kg = 1013,26.103 (J/kg)
rb=539,02 kcal/kg = 2256,77.103 (J/kg)
<Đổi đơn vị: 1kcal/kg = 4,1868.103J/kg>
⇒ r’ =1013,26.103.0,05+(1-0,05). 2256,77.103=2194,6.103 (J/kg)
1

Phân tử lượng trung bình của hỗn hợp ở đáy :
32.0,01+18.(1-0,01) = 18,14
⇒ GW =

6192,72
= 341,4
18,14

r1 = r

'

n

= ra y

'

n

(kmol/h)

+ (1 − y ' n ).rb

Ta có:
là ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào
đĩa trên cùng của đoạn chưng
(T182, [3])
Thay vào hệ phương trình (**)ta được:
G '1 = g '1 + 341,4
 ' '
'
G 1 x 1 = g 1 .0,05 + 341,4.0,01
 g ' .2194,6.10 3 = 73,27.1668,6.10 3
 1

Giải hệ phương trình ta có:

18
Chu Hoàng Thành | ĐHTP7A1HN

trang 18


Đồ án KTTP

GVHD: Phạm Thị Thu Hoài
G '1 = 397,1
 '
 x 1 = 0,0156
 g ' = 55,7
 1

(kmol/h)

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng:
g

'

tb

g1 + g '1 73,27 + 55,7
=
=
= 64,5
2

2
(kmol/h)

Nồng độ trung bình của đoạn chưng là:
y tb2

y1 + y '1 0,473 + 0,05
=
=
= 0,26
2
2
(mol)

Phân tử lượng trung bình của hơi trong đoạn chưng là:
32.0,26 + 18.(1 − 0,26) = 21,64

⇒ g ' tb = 64,5.21,64 = 1,4.10 3
G = 397,1.21,64 = 8593,244
'
1

(kg/h)
(kg/h)

- Khối lượng riêng trung bình.
* Đối với pha hơi
Khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp được xác định theo công
thức:
ρ ' tb =

[ y tb2 .M 1 + (1 − y tb2 ).M 2 ].273
22,4.T

, kg/m3 (CT IX.102/T183, [3])

Trong đó:
M1, M2 – khối lượng mol của metylic và nước
T: Nhiệt độ làm việc trung bình của đoạn chưng,tính theo oK
Ytb2- Nồng độ phần mol của cấu tử metylic
y tb2 =

y đ 2 + yc 2
= 0,26
2

Yđ2, yc2- nồng độ đầu và cuối đoạn chưng
Ytb2.M1+(1-ytb2).M2 Phân tử lượng trung bình của đoạn
chưng: 21,64
Nhiệt độ trung bình của hỗn hợp trong đoạn chưng là:
t tb =

t F + tW 99,86 + 99,98
=
= 99,92
2
2
o
C

Thay vào công thức tính khối lượng trung bình của hỗn hợp, ta có:
ρ ' ytb =

19
Chu Hoàng Thành | ĐHTP7A1HN

21,64.273
= 0,71
22,4.( 99,92 + 273)

(kg/m3)

trang 19


Đồ án KTTP

GVHD: Phạm Thị Thu Hoài
* Đối với pha lỏng.
Khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp được xác định theo công thức:
a
1 − a tb2
1
= tb2 +
ρ xtb ρ xtb1
ρ xtb 2

(CT IX.104a/T 183, [3])

Trong đó:

ρ xtb

- khối lượng riêng trung bình của pha lỏng lấy theo nhiệt độ
trung bình ở đoạn chưng với t=99,92 oC
atb2- phần khối lượng trung bình của Benzen trong pha lỏng
Ta có:
ρ xtb1 = 714,088
(kg/m3)
(CT I.2/T9, [2])
ρ xtb 2 = 958,056
(kg/m3)
ρ xtb1 ρ xtb2
,
- khối lượng riêng trung bình của Metylic, Nước tinh khiết của
pha lỏng theo nhiệt độ trung bình
Nồng độ trung bình của đoạn chưng:
a tb2 =

15% + 1,5%
= 8,25%
2

Thay vào công thức tính khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp, ta có:
1
0,0825 1 − 0,0825
=
+
ρ xtb 714,088 958,056

⇒ ρ xtb = 931,8

(kg/m3)
Vận tốc khí đi trong tháp được xác định theo công thức:
Y = 2,95.e −4 X

(CT IX.114/T187, [3])

Trong đó
ω s2 .σ d .ρ ytb  µ x 
Y=
. 
g .Vd3 .ρ xtb  µ n 
G
X = x
G
 y

1

0 ,16

1

 4  ρ ytb  8
 .

 ρ 
  xtb 

ω, ωs: tốc độ làm việc của tháp, tốc độ sặc, m/s

σđ : bề mặt riêng của đệm, m2/m3.
Vd: thể tích tự do của đệm, m3/m3.
g: gia tốc trọng trường
Gx, Gy: lượng lỏng và lượng hơi trung bình đi trong tháp, kg/s

20
Chu Hoàng Thành | ĐHTP7A1HN

trang 20


Đồ án KTTP

GVHD: Phạm Thị Thu Hoài
μx, μn : độ nhớt của pha lỏng theo nhiệt độ trung bình và độ nhớt
của nước ở 20oC theo bảng I.101 tài liệu số 2 trang 92 ta
µ = 1,0.10 −3

được độ nhớt của nước ở 20oC là n
N.s/m2.
Chọn đệm Rasiga bằng sứ đổ lộn xộn kích thước đệm 25x25x3
mm. Tra bảng IX.8 tài liệu số 3 trang 193 ta được các thông
số sau:
σđ=195m2/m3
ρđ=600 kg/ m3
Vđ = 0.75 m3/m3
số đệm trong một mét khối là 46.103
ω = ( 0,8 ÷ 0,9 ).ω s
Tốc độ làm việc
Độ nhớt của pha lỏng theo nhiệt độ trung bình có thể được tính theo công

thức sau:
lg µ x = xtb . lg µ1 + (1 − µ 2 ). lg µ 2
xtb =

x F + xW 0,09 + 0,01
=
= 0,05
2
2

Tra trên bảng I.101 tài liệu số 2 trang 92, ứng với nhiệt độ trung bình
của đoạn chưng ta có:
t tb
µ = 0,324.10 −3
µ = 0,281 .10 −3
= 99,92oC, 1
N.s/m2, 2
N.s/m2
Ta có:
lg µ xl = xtb . lg µ1 + (1 − µ 2 ). lg µ 2
lg µ xl = 0,05. lg(0,324.10 −3 ) + (1 − 0,05). lg(0,281 .10 −3 )

⇒ µ xl = 0,283 .10 −3 ( N .s / m 2 )

Lượng lỏng và lượng hơi trung bình đi trong tháp là:
G R + G1' 1162,8 + 8593,244
Gx =
=
= 4878,02( kg / h )
2

2

G y = 1,4.10 3 ( kg / h )

Thay các giá trị vào công thức ở trên ta tính được tốc độ làm việc của
đoạn luyện:
G
Xc =  x
G
 y

1

1

1

1

 4  ρ ytb  8  4878,02  4  0,71  8
 .
 = 
 .
 = 0,557
3 
 ρ 
 1,4.10   931,8 
  xtb 

Yc = 2,95.e −4 X cl = 2,95.e −4.0,557 = 0,32

21
Chu Hoàng Thành | ĐHTP7A1HN

trang 21


Đồ án KTTP

GVHD: Phạm Thị Thu Hoài
ω sl2 .σ d .ρ ytb  µ xc
Yc =
.
g.Vd3 .ρ xtb  µ n





0 ,16

Y .g .Vd3 ρ xtb  µ n
⇒ ω sc = 1
.
.
σd
ρ ytb  µ xc






0 ,16


0,32.9,8.0,75 3 931,8  10 −3

.
.
195
0,71  0,283 .10 −3 

⇒ ω sc =

0,16

= 3,301

⇒ ω c = 0,84 .3,301 = 2,773( m / s )

ω l = 3,108 (m / s)

+ Phần luyện:

ω c = 2,773 (m / s)

+ Phần chưng:

3. Tính đường kính tháp:
g tb

( ρ y ω y ) tb

D = 0,0188

- Đoạn luyện:
Dl = 0,0188

g tb
( ρ y ω y ) tbl

= 0,0188 .

2,66.10 3
= 0,57(m)
0,92.3,108

- Đoạn chưng:
g tb'
1,4.10 3
Dc = 0,0188
= 0,0188 .
= 0,50( m)
( ρ y ω y ) tbc
0,71.2,773

Kết luận: ta thấy đường kính đoạn luyện và đoạn chưng gần bằng nhau nên ta
lấy đường kính chung toàn tháp là 0,57 m.

III. Tính chiều cao tháp
Chiều cao tháp được xác định bằng phương pháp đường cong động học .

H = N 1 .htd + ( 0,8 ÷ 1)

(m)
Trong đó : H : Chiều cao tháp
N1 : Số đĩa lý thuyết
htd : khoảng cách giữa các đĩa
V
htd = 200. d
σ d

(CT IX.50/T168, [3])

1, 2


1
 . 0, 4
 ω

- Đoạn luyện:
htdl

V
= 200. d
σd

1, 2

1, 2


1
0,75 
1
 . 0, 4 = 200.
= 0,16
 .
0, 4
 195  3,108
 ωl

22
Chu Hoàng Thành | ĐHTP7A1HN

trang 22


Đồ án KTTP

GVHD: Phạm Thị Thu Hoài
H l = N 1l .htdl + ( 0,8 ÷ 1) = 8.0,16 + 0,8 = 2,08(m)

- Đoạn chưng:
V
= 200. d
σd

htdc

1, 2

1, 2


1
0,75 
1
 . 0, 4 = 200.
= 0,17
 .
0, 4
 195  2,773
 ωc

H c = N 1c .htdc + ( 0,8 ÷ 1) = 4.0,17 + 0,8 = 1,48( m)

Vậy ta có chiều cao tháp là:
H = H l + H c = 2,08 + 1,48 = 3,56

(m)

IV. Tính trở lực của tháp.
Trở lực của tháp đệm được xác định theo công thức:

G
∆Pu = ∆Pk .1 + A. x
G

 y







m

 ρy
.
 ρx





n

µ
. x
µ
 y






c






(N/m2)

(CT IX.118/T189,

[3])
Trong đó:
∆Pu

: tổn thất áp suất khi đệm ướt tại điểm đảo pha cá tốc độ của khí

bằng tốc độ của khí đi qua đệm khô (N/m2)
∆Pk

: tổn thất áp suất của đệm khô (N/m2)

Gx , G y

ρx , ρy
µx , µy

: lưu lượng lỏng và hơi (kg/h)
: khối lượng riêng của lỏng và hơi (kg/m3)
: độ nhớt của lỏng và hơi (N.s/m2)

A, m, n, c: hệ số tra theo bảng IX.7 tài liệu số 3 trang 189

A = 5,15
m = 0,342
n = 0,19
c=0,038
Ta có:

23
Chu Hoàng Thành | ĐHTP7A1HN

trang 23


Đồ án KTTP

GVHD: Phạm Thị Thu Hoài

G
∆Pu = ∆Pk .1 + 5,15. x
G

 y







0 , 342

 ρy
.
 ρx





0,19

µ
. x
µ
 y






0 , 038






Tổn thất áp suất đệm khô tính theo công thức:
2

2
'
σ w y .ρ y
H ρ y .wt
λ'
∆Pk = λ .
.
= .H . d3 .
d td
2
4
2
Vd
'

Trong đó:
d td = 4.

ωt =

Vd
σd

ω y'
Vd

H: chiều cao lớp đệm
λ'

: hệ số trở lực của tháp đệm gồm trở lực ma sát và trở lực cục bộ, phụ

thuộc vào chuẩn số Reynon với các loại đệm khác nhau.
σd

bề mặt riêng của đệm, lấy

σ d = 195

(m2/m3)

Vd: thể tích tự do của đệm, lấy Vd=0,75 (m3/m3)
ωy
ρy

: vận tốc hơi đi trong lớp đệm (m/s)
: khối lượng riêng của hơi (kg/m3)

a. Đoạn luyện.
Chuẩn số Reynon:

 Gy
rey = 0,045. Ary0,57 .

 Gx
Ary =

d td =






0 , 43





(CT IX.117/T188, [3])

d td3 .ρ ytb .( ρ xtb − ρ ytb ).g

µ y2
4.Vd 4.0,75
=
= 0,015
σd
195

(T188, [3])

(m)

Ta có:

24
Chu Hoàng Thành | ĐHTP7A1HN

trang 24

Đồ án KTTP

GVHD: Phạm Thị Thu Hoài
ρ xtb = 803,79
ρ ytb = 0,92
G x = 8694
G y = 7215

µ ytb

(kg/m3)

(kg/m3)

(kg/h)
(kg/h)

: độ nhớt trung bình của hơi ở nhiệt độ trung bình

t tb = 91,93 o

C, dựa theo bảng I.101 tài liệu số 2 trang 91 ta nội suy độ

nhớt:
µ B = 0,283 .10 −3

µ T = 0,29.10 −3

(N.s/m2)

(N.s/m2)

y tb = 0,632
xtb =

x f + xP
2

=

0,1723 + 0,983
= 0,578
2

Ta có:
lg µ x = xtb . lg µ A + (1 − xtb ). lg µ B
→ µ x = 0,31.10 −3

(N.s/m2)

lg µ y = y tb . lg µ A + (1 − y tb ). lg µ B

→ µ y = 0,32.10 −3

(N.s/m2)

Vậy:
Ary =
Ary =

d td3 .ρ ytb .( ρ xtb − ρ ytb ).g

µ y2
0,015 3.0,92.( 803,79 − 0,92). 9,8

25
Chu Hoàng Thành | ĐHTP7A1HN

( 0,32.10 )

−3 2

= 238,58.10 3

trang 25