Thiết kế mâm chóp chưng cất hỗn hợp Toluen Benzen

ĐAMH Q trình & Thiết bị

GVHD : Phan Đình Tuấn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Thành phố Hồ Chí Minh
Khoa: Công nghệ Hóa & Thực phẩm
Bộ môn: Quá trình và Thiết bò

ĐỒ ÁN

MÔN HỌC: ĐỒ ÁN MÔN HỌC QT&TB. MÃ SỐ: 605040
Họ và tên sinh viên: Vũ Tiến Dũng
Lớp: HC06MB
Ngành (nếu có): Máy & Thiết Bị
1. Đầu đề đồ án: Thiết kế tháp mâm chóp chưng cất hỗn hợp Benzen – Toluen
có năng suất 200 l/h tính theo sản phẩm đỉnh
2. Nhiệm vụ (nội dung yêu cầu và số liệu ban đầu):

3.
4.
5.
6.
7.

-

Nồng độ nhập liệu:

-

Nồng độ sản phẩm đỉnh:

-

Nồng độ sản phẩm đáy:

F

= 40%phần khối lượng
D
W

= 98% phần khối lượng
= 1% phần khối lượng

Nguồn năng lượng và các thông số khác tự chọn
Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:
Xem ở phần mục lục
Các bản vẽ và đồ thò (loại và kích thước bản vẽ):
Gồm 2 bản vẽ A1: bản vẽ quy trình công nghệ và bản vẽ chi tiết thiết bò
Ngày giao đồ án: 6/10/2009
Ngày hoàn thành đồ án: 18/01/2010
Ngày bảo vệ hay chấm: 25/01/2010
Ngày 6 tháng 10 năm 2009
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ tên)
(Ký và ghi rõ họ tên)

Trang 1


ĐAMH Q trình & Thiết bị

GVHD : Phan Đình Tuấn
NHẬN XÉT ĐỒ ÁN

Cán bộ hướng dẫn. Nhận xét:______________________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
Điểm:_________________
Chữ ký:______________________
Cán bộ chấm hay Hội đồng bảo vệ. Nhận xét:________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
Điểm:_________________
Chữ ký:______________________
Điểm tổng kết:

Trang 2


ĐAMH Quá trình & Thiết bị

GVHD : Phan Đình Tuấn

LỜI MỞ ĐẦU
Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển đóng góp to lớn cho nền công
nghiệp nước ta nói riêng và thế giới nói chung. Một trong những ngành có đóng
góp vô cùng to lớn đó là ngành công nghiệp hoá học, đặc biệt là ngành sản xuất
các hoá chất cơ bản.
Hiện nay, các ngành công nghiệp cần sử dụng rất nhiều hoá chất có độ
tinh khiết cao. Nhu cầu này đặt ra cho các nhà sản xuất hoá chất sử dụng nhiều
phương pháp để nâng cao độ tinh khiết của sản phẩm như : trích ly, chưng cất,
cô đặc, hấp thu … Tuỳ theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có sự lựa chọn
phương pháp cho phù hợp. Đối với hệ benzen – toluen là hệ 2 cấu tử tan lẫn vào
nhau, ta chọn phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho benzen.
Đồ án môn học Quá trình & Thiết bị là một môn học mang tính tổng hợp
trong quá trình học tập của các kỹ sư Công nghệ Hoá học tương lai. Môn học
này giúp sinh viên có thể tính toán cụ thể : quy trình công nghệ, kết cấu, giá
thành của một thiết bị trong sản xuất hoá chất - thực phẩm. Đây là lần đầu tiên
sinh viên được vận dụng các kiến thức đã học để giải quyết các vấn đề kỹ thuật
thực tế một cách tổng hợp.
Nhiệm vụ của đồ án là thiết kế tháp mâm chóp để chưng cất hỗn hợp
Benzen – Toluen ở áp suất thưởng với năng suất theo sản phẩm đỉnh(Benzene)
là 200 lít/h có nổng độ 98% phần khối lượng benzen, nồng độ sản phẩm đáy là
99% khối lượng Toluene,Nồng độ nhập liệu là 40% khối lượng Benzene, nhập
liệu ở trạng thái lỏng sôi.

Trang 3


ĐAMH Q trình & Thiết bị

GVHD : Phan Đình Tuấn

MỤC LỤC
Lời mở đầu.....................................................................................3

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN .........................................................................................4
I.
Lý thuyết về chưng cất...............................................................................................5
II.
Giới thiệu sơ bộ về ngun liệu.................................................................................7
CHƯƠNG 2 : QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ..................................................................9
CHƯƠNG 3 : CÂN BẰNG VẬT CHẤT....................................................................10
I.
Các thông số ban đầu .............................................................................................10
II.
Xác đònh suất lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy thu được.........................10
III.
Xác đònh tỉ số hoàn lưu làm việc............................................................................11
IV.
Xác đònh phương trình đường làm việc – Số mâm lý thuyết................................13
V.
Xác đònh số mâm thực tế.........................................................................................14

CHƯƠNG 4 : TÍNH TOÁN THÁP CHƯNG CẤT...................................................16
I. Đường kính đoạn cất...............................................................................................16
II.
Đường kính đoạn chưng.........................................................................................18
III.
Trở lực của tháp.......................................................................................................20

CHƯƠNG 5 : CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG.............................................................22
I. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh.................................22
II.
Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt nhập liệu..........................................22
III.
Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đáy.................................22
IV.
Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh...............................22
V.
Nhiệt lượng cung cấp cho đáy tháp........................................................................23
CHƯƠNG 6: TÍNH TỐN CƠ KHÍ..........................................................................24
I.
Tính tốn thân tháp.................................................................................................24
II.
Tính tốn chóp.........................................................................................................24
III.
Tính tốn đáy nắp thiết bị........................................................................................25
IV.
Bích ghép thân.........................................................................................................26
V.
Đường kính các ống dẫn – Bích ghép ống dẫn......................................................28
VI.
Chân đỡ - tai treo.....................................................................................................31
CHƯƠNG 7 : TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHU.............................................................33
I. Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh ...........................................................................33
II.
Thiết bò đun sôi đáy tháp.........................................................................................36
III.
Thiết bò làm nguôïi sản phẩm đỉnh.........................................................................39
IV.

Thiết bò làm nguội sản phẩm đáy...........................................................................43
V.
Thiết bị đun sơi nhập liệu........................................................................................47
VI.
Bồn cao vị.................................................................................................................50
VII. Bơm...........................................................................................................................52

Trang 4


AMH Quỏ trỡnh & Thit b

GVHD : Phan ỡnh Tun

Keỏt luaọn.........................................................................................................................54
Taứi lieọu tham khaỷo.......................................................................................................54

Trang 5


ĐAMH Quá trình & Thiết bị

GVHD : Phan Đình Tuấn

Chương 1 :

TỔNG QUAN
I. LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT :
1. Khái niệm :
- Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của hỗn hợp lỏng cũng như hỗn hợp

khí lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn
hợp (nghĩa là khi ở cùng nhiệt độ, áp suất hơi bão hoà của các cấu tử khác nhau).
- Thay vì đưa vào trong hỗn hợp một pha mới để tạo nên sự tiếp xúc giữa hai pha
như trong quá trình hấp thu hoặc nhả khí, trong quá trình chưng cất pha mới được tạo nên
bằng sự bốc hơi hoặc ngưng tụ.
- Chưng cất và cô đặc khá giống nhau, tuy nhiên sự khác nhau căn bản nhất của 2
quá trình này là trong quá trình chưng cất dung môi và chất tan đều bay hơi (nghĩa là các cấu
tử đều hiện diện trong cả hai pha nhưng với tỷ lệ khác nhau), còn trong quá trình cô đặc thì
chỉ có dung môi bay hơi còn chất tan không bay hơi.
- Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu được
bấy nhiêu sản phẩm. Nếu xét hệ đơn giản chỉ có 2 cấu tử thì ta sẽ thu được 2 sản phẩm :

Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt độ sôi nhỏ)

Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi nhỏ (nhiệt độ sôi lớn)
- 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.
2. Phương pháp chưng cất :
Các phương pháp chưng cất được phân loại theo :
- Áp suất làm việc :
 Áp suất thấp
 Áp suất thường
 Áp suất cao
 Nguyên tắc làm việc : dựa vào nhiệt độ sôi của các cấu tử, nếu nhiệt độ sôi của
các cấu tử quá cao thì ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi của các cấu tử.
- Nguyên lí làm việc :
 Chưng một bậc

 Chưng lôi cuốn theo hơi nước
 Chưng cất
- Cấp nhiệt ở đáy tháp :
 Cấp nhiệt trực tiếp
 Cấp nhiệt gián tiếp
Vậy : Đối với hệ Benzen – Toluen, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục ở áp suất
thường.
3. Thiết bị chưng cất :
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 chêm, tháp phun, …Ở đây ta khảo sát 2 loại thường dùng là tháp mâm
và tháp chêm.

Trang 6


ĐAMH Quá trình & Thiết bị

GVHD : Phan Đình Tuấn

 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 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 chêm (tháp đệm) : tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối với nhau bằng mặt bích
hay hàn. Vật chêm 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 :

Ưu
điểm

Nhược
điểm

Tháp chêm

Tháp mâm xuyên lỗ

Tháp chóp

- Cấu tạo khá đơn giản.
- Trở lực thấp.
- Làm việc được với chất lỏng bẩn
nếu dùng đệm cầu có ρ ≈ ρ của
chất lỏng.
- Do có hiệu ứng thành → hiệu
suất truyền khối thấp.
- Độ ổn định không cao, khó 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.

- Trở lực tương đối thấp.
- Hiệu suất khá cao.

- Khá ổn định.
- Hiệu suất cao.

- Không làm việc được - Có trở lực lớn.
với chất lỏng bẩn.
- Tiêu tốn nhiều
- Kết cấu khá phức tạp.
vật tư, kết cấu
phức tạp.

Vậy :qua phân tích trên ta sử dụng tháp mâm chóp để chưng cất hệ Benzen – Toluen.

II. GIỚI THIỆU VỀ NGUYÊN LIỆU :
1. Benzen & Toluen :
Benzen: là một hợp chất mạch vòng, ở dạng lỏng không màu và có mùi thơm nhẹ.Công thức
phận tử là C6H6. Benzen không phân cực,vì vậy tan tốt trong các dung môi hữu cơ không phân
cực và tan rất ít trong nước. Trước đây người ta thường sử dụng benzen làm dung môi. Tuy
nhiên sau đó người ta phát hiện ra rằng nồng độ benzen trong không khí chỉ cần thấp khoảng
1ppm cũng có khả năng gây ra bệnh bạch cầu, nên ngày nay benzen được sử dụng hạn chế
hơn
Các tính chất vật lí của benzen:
o Khối lượng phân tử: 78,11
o Tỉ trọng(200C): 0,879
o Nhiệt độ sôi: 80oC
o Nhiệt độ nóng chảy: 5,50C
Toluen: là một hợp chất mạch vòng,ở dạng lỏng và có tính thơm ,công thức phân tử tương tự
như benzen có gắn thêm nhóm –CH 3. Không phân cực,do đó toluen tan tốt trong
benzen.Toluen có tính chất dung môi tương tự benzen nhưng độc tính thấp hơn nhiều, nên
ngày nay thường được sử dụng thay benzen làm dung môi trong phòng thí nghiệm và trong

công nghiệp.
Các tính chất vật lí của toluen:
o Khối lượng phân tử : 92,13
o Tỉ trọng (20oC) : 0,866
o Nhiệt độ sôi : 111oC

Trang 7


ĐAMH Quá trình & Thiết bị

GVHD : Phan Đình Tuấn

o Nhiệt độ nóng chảy : -95 oC
Các phương thức điều chế :
o Đi từ nguồn thiên nhiên
Thông thường các hidrocacbon ít được điều chế trong phòng thí nghiệm, vì có thể thu
được lượng lớn nó bằng phương pháp chưng cất than đá, dầu mỏ….
o Đóng vòng và dehiro hóa ankane
o Các ankane có thể tham gia đóng vòng và dehidro hóa tạo thành hidro cacbon thơm ở
nhiệt độ cao và có mặt xúc tác như Cr2O3, hay các lim loại chuyển tiếp như Pd, Pt
Cr2O3 / Al2O3
→ C6H6
CH3(CH2)4CH3   
o Dehidro hóa các cycloankane
Các cycloankane có thể bị dehidro hóa ở nhiệt độ cao với sự có mặt của các xúc tác
kim loại chuyển tiếp tạo thành benzen hay các dẫn xuất cảu benzen
Pt / Pd
C6H12 → C6H6
o Đi từ acetylen

Đun acetane trong sự có mặt cảu của xúc tác là than hoạt tính hay phức của niken như
Ni(CO)[(C6H5)P] sẽ thu được benzen
xt
3C2H2 →
C6H6
o Từ benzen ta có thể điều chế được các dẫn xuất của benzen như toluen bằng phản ứng
Friedel-Crafts (phản ứng ankyl hóa benzen bằng các dẫn xuất ankyl halide với sự có
mặt cảu xúc tác AlCl3 khan
C6H6 + CH3- Cl AlCl

3 → C6H5-CH3
2. Hỗn hợp benzen – toluen :
Ta có bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Benzen –
Toluen ở 760 mmHg.(Tham khảo STT1)
x (% phân mol)
y (% phân mol)
t (oC)

0
0
110,6

5
11,8
108,3

10
21,4
106,1

20
38
102,2

30
51,1
98,6

40
61,9
95,2

50
71,2
92,1

60
79
89,4

70
85,4
86,8

80
91
84,4

90
95,9

82,3

100
100
80,2

Trang 8


ĐAMH Quá trình & Thiết bị

GVHD : Phan Đình Tuấn

Chương 2 :

QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
Hỗn hợp Benzen – Toluen có nồng độ Benzen là 40% (phần khối lượng), nhiệt độ
nguyên liệu lúc đầu là 300C tại bình chứa nguyên liệu (1), được bơm (2) bơm lên bồn cao vị
(3). Dòng nhập liệu được gia nhiệt tới nhiệt độ sôi trong thiết bị truyền nhiệt ống chùm. Sau
đó hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất (6) ở đĩa nhập liệu và bắt đầu quá trình chưng cất.
Lưu lượng dòng nhập liệu được kiểm soát qua lưu lượng kế (14).
Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn luyện của tháp chảy
xuống. Trong tháp, hơi đi dưới lên gặp lỏng đi từ trên xuống. Ở đây có sự tiếp xúc và trao đổi
giữa hai pha với nhau. Pha 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 tữ dễ
bay hơi. 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 98% phần khối lượng). Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ
(7) được ngưng tụ hoàn toàn. Một phần chất lỏng ngưng tụ đi qua thiết bị làm nguội sản phẩm
đỉnh (8), được làm nguội bằng thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống(8) rồi được đưa qua bồn

chứa sản phẩm đỉnh (9). Phần còn lại của chất lỏng ngưng tụ được hoàn lưu về tháp ở đĩa trên
cùng với tỉ số hoàn lưu thích hợp và được kiểm soát bằng lưu lượng kế(5). Cuối cùng ở đáy
tháp ta thu được hỗn hợp lỏng hầu hết là cấu tử khó bay hơi (Toluen). Hỗn hợp lỏng ở đáy có
nồng độ Toluene là 99% phần khối lượng, còn lại là Benzene. Dung dịch lỏng ở đáy đi ra khỏi
tháp vào nồi đun (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 qua thiết bị làm nguội sản
phẩm đáy (13) rồi đi vào thiết bị làm nguội sản phẩm đáy(13) sau đó vào bồn chứa sản phẩm
đáy(12).
Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là Benzen, sản phẩm đáy là Toluen

Trang 9


ĐAMH Q trình & Thiết bị

GVHD : Phan Đình Tuấn

Chương 3 :

CÂN BẰNG VẬT CHẤT
I.

CÁC THƠNG SỐ BAN ĐẦU :
Chọn loại tháp là tháp mâm chóp.
Khi chưng luyện hỗn hợp Benzen - Toluen thì cấu tử dễ bay hơi là Benzen.
 Benzen: C 6 H 6 ⇒ M B = 78 g / mol
Hỗn hợp: 
Toluen : C 6 H 5CH 3 ⇒ M T = 92 g / mol










Năng suất sản phẩm đỉnh : D = 200l/h
Nồng độ nhập liệu : xF = 40% phân khối lượng
Nồng độ sản phẩm đỉnh : xD = 98% phân khối lượng
Nồng độ sản phẩm đáy: xW = 99% phân khối lượng
Nhiệt độ nhập liệu: nhập liệu ở trạng thái lỏng sơi
Chọn:
 Nhiệt độ nhập liệu: tFV = 94oC
 Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi làm nguội: tWR = 35oC
 Nhiệt độ dòng nước lạnh đi vào: tV = 30oC
 Nhiệt độ dòng nước lạnh đi ra: tR = 40oC
Các ký hiệu:
 F , F: suất lượng nhập liệu tính theo kg/h, kmol/h.
 D , D: suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo kg/h, kmol/h.
 W , W: suất lượng sản phẩm đáy tính theo kg/h, kmol/h.
 xi, xi : nồng độ phần mol, phần khối lượng của cấu tử i.

II. XÁC ĐỊNH SUẤT LƯNG DỊNG NHẬP LIỆU VÀ DỊNG SẢN PHẨM
ĐÁY:
MF =xF.MB + (1-xF).MT = 0,4.78 + (1-0.4).92 = 86.4 kg/kmol
MD =xD.MB + (1- xD).MT = 0,98.78 + (1-0,98).92 = 78.28 kg/kmol
MW =xW.MB + (1- xW).MT = 0,01. 78 + (1-0,01).92 =91,86 kg/kmol
xF
0,4

MB
78
xF =
=
= 0,44
0,4 1 − 0,4
xF 1 − xF
+
+
78
92
MB
MT
xW

xW
0,01
MB
78
=
=
= 0,012
0,01 1 − 0,01
xW 1 − xW
+
+
78
92
MB
MT

Trang 10


ĐAMH Q trình & Thiết bị

GVHD : Phan Đình Tuấn

Dòng sản phẩm đỉnh có nhiệt độ 800C nên ta có khối lượng riêng của dòng này:
3

ρΒ = 815 kg/m3, ρΤ = 805 kg/m
x
1 − xD
1
3
= D +
 ρ D = 809kg / m
ρD ρB
ρT
 D = VD .ρ D = 0,2.809 = 161,8kg / h
D
= 2,07 kmol / h
 D=
MD
F = D + W
Phương trình cân bằng vật chất: 
 F .xF = D.xD + W .xW



W = 240,6kg / h
W = 2,8kmol / h
F = 402.4kg / h
F = 4,87 kmol / h

F = 402,4 kg/h
F = 4,87 kmol/h

D = 161,8 kg/h
D = 2,07 kmol/h

W = 2,8 kmol/h

x F = 0.4

x D = 0,98

xW = 0,01

x F = 0.44

x D = 0,983

xW = 0,012

W = 240,6 kg/h

III. XÁC ĐỊNH CHỈ SỐ HỒI LƯU THÍCH HP :
* 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 đònh là vô cực nhưng chi phí điều hành (nhiên liệu,
nước và bơm…) là tối thiểu.

Trang 11


ĐAMH Q trình & Thiết bị

GVHD : Phan Đình Tuấn

Hình 1: Đồ thò cân bằng pha của hệ Benzen – Toluen tại P = 1atm
Dựa vào hình 1 ta có xF = 0,44⇒ yF* = 0,643
x D − y F* 0,983 − 0,64.3
R
=
=
Tỉ số hoàn lưu tối thiểu : min
= 1,68
0,643 − 0,44
y F* − x F
Tỉ số hoàn lưu làm việc tính theo cơng thức kinh nghiệm: R = 1,5Rmin = 1,5.1,68 = 2,52
Theo Phương pháp thể tích tháp nhỏ nhất ta có: V = S.H
Với S – diện tích tiết diện ngang của tháp; H – chiều cao tháp. Mặt khác diện tích tiết
diện tháp tỉ lệ vơi lượng hơi, lượng hơi này lại tỉ lệ với lượng hồn lưu hay S tỉ lệ với R.
Chiều cao tháp tỉ lệ với số đĩa lý thuyết N lt. Vậy thể tích tháp tỉ lệ với giá trị N lt.(R+1). Lần
lượt cho các giá trị R và tìm thể tích tháp, ứng với giá trị nào nhỏ nhất của thể tích tháp thì R
đó là tỉ số hồn lưu tối ưu.
R

5

4.5

4

3.5

3

2.5

2

Nlt
(R+1).Nlt

12
72

13
71.5

14
70

16
72

15
60

15
52.5

18
54

Biểu diễn trên đồ thị:

Trang 12


ĐAMH Q trình & Thiết bị

GVHD : Phan Đình Tuấn

(R+1).Nlt

R

Theođđồ thị trên ta chọn giá trị tỉ số hồi lưu thích hợp R = 2,48

IV . PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LÀM VIỆC - SỐ MÂM LÝ THUYẾT:
1 . Phương trình đường làm việc của đoạn cất:
y=

2,48
0,983

R
x
x+
x+ D =
2,48 + 1
2,48 + 1
R +1
R +1
= 0,771.x + 0,284

2 . Phương trình đường làm việc phần chưng:

-Phương trình đường làm việc của phần chưng
R+ f
f −1
x y=
xW =1,37x -0.0044
R +1
R +1
x D − xW 0,983 − 0,012
với f=
=
=2,27
x F − xW
0,44 − 0,012

Trang 13


ĐAMH Q trình & Thiết bị

GVHD : Phan Đình Tuấn

y

x

Hình 2: Đồ thị xác định số mâm lý thuyết chưng hệ Benzen – Toluen tại P = 1atm

3 . Số đĩa lý thuyết :
Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết :
Dựng đường làm việc của tháp bao gồm đường làm việc phần cất và phần
chưng. Trên đồ thò y-x ta lần lượt vẽ các đường bậc thang từ đó xác đònh được số
đĩa lý thuyết là14.56 đĩa, ta lấy tròn 15
Từ đồ thò, ta có : 15 đĩa bao gồm :
6 mâm cất
1 mâm nhập liệu
6 mâm chưng (5 mâm chưng + 1 nồi đun)
Tóm lại, số đĩa lý thuyết là Nlt = 15 mâm.

V . XÁC ĐỊNH SỐ MÂM THỰC TẾ:
có nhiều phương pháp xác định số mâm thực của tháp, ngoại trừ các ảnh hưởng của thiết
kế cơ khí tháp thì ta có thể xác định số mâm thực dựa vào hiệu suất trung bình:
Nt = Nlt/ηtb
Trong đó: Nt – số đĩa thực tế, Nlt - số đĩa lý thuyết, ηtb – hiệu suất trung bình của thiết bị
n + n2 + n3 + .... + nn
x
ηtb = 1
n
Trong đó ni - hiệu suất của các bậc thay đổi nồng độ, n - số vị trí tính hiệu suất

Trong trường hợp này ta tính

Trang 14


ĐAMH Quá trình & Thiết bị

GVHD : Phan Đình Tuấn

n D + n F + nW
3
n
n
n
Với D F W - lần lượt là hiệu suất ở đĩa trên cùng, hiệu suất ở đĩa nhập liệu và hiệu suất
ở đĩa dưới cùng
- Xác định nD
ta có: Tđ(nhiệt độ đỉnh tháp) = 800C, xD = 0,983 suy ra yD = 0,994 sử dụng bảng I.101
trang 91 STT1 tra và nội suy các giá trị độ nhớt µB = 0,316.10-3 N.s/m2, µT = 0,319.10-3
N.s/m2.
Độ nhớt của hỗn hợp lg µhh = xD.lgµB – (1- xD).lg µT (theo công thức I.12 trang 84 [ 5] )
 µhh = 0,316. 10-3 N.s/m2 (= 0.316cP)
y 1− x
0.994 1 − 0.983
.
.
Và độ bay hơi tương đối α =
=
= 2,87
1− y x

1 − 0.994 0.983
 α. µhh = 2,87.0,316 = 0,905, theo hình IX.11 trang 171 thì nD = 0,53
- Xác định nF , tương tự như trên ta có:
TF(nhiệt độ đĩa nhập liệu) = 940C, xf = 0,44 suy ra yD = 0,643 sử dụng bảng I.101 trang
91 [ 5] tra và nội suy các giá trị độ nhớt µB = 0,277.10-3 N.s/m2, µT = 0,291.10-3 N.s/m2.
Độ nhớt của hỗn hợp lg µhh = xD.lgµB – (1- xD).lg µT (theo công thức I.12 trang 84
STT1)  µhh = 0,293. 10-3 N.s/m2 (= 0,293 cP)
y 1− x
0.643 1 − 0.44
.
.
Và độ bay hơi tương đối α =
=
= 2,29
1− y x
1 − 0.643 0.44
 α. µhh = 2,29.0,293 = 0,672, theo hình IX.11 trang 171 thì nD = 0,58
- Xác định nw , tương tự như trên ta có:
Tw(nhiệt độ đĩa dưới cùng) = 1100C, xw = 0,012 suy ra yD = 0,065 sử dụng bảng I.101
trang 91 [ 5] tra và nội suy các giá trị độ nhớt µB = 0,239.10-3 N.s/m2, µT = 0,250.10-3
N.s/m2.
Độ nhớt của hỗn hợp lg µhh = xD.lgµB – (1- xD).lg µT (theo công thức I.12 trang 84 [ 5] )
 µhh = 0,249. 10-3 N.s/m2 (= 0,249 cP)
y 1− x
0.0365 1 − 0.012
.
.
Và độ bay hơi tương đối α =
=
= 3,12

1− y x
1 − 0.0365 0.012
 α. µhh = 3,12.0,249 = 0,777, theo hình IX.11 trang 171 thì nD = 0.62
n + n F + nW
0,53 + 0,58 + 0,62
ηtb = D
=
= 0.58
3
3
Suy ra số mâm thực :
Nt = Nlt/ηtb = 15/0,58 = 25,8 lấy tròn 26 mâm
ηtb =

Trang 15


ĐAMH Q trình & Thiết bị

GVHD : Phan Đình Tuấn

Chương 4 :

TÍNH TOÁN THÁP CHƯNG CẤT

* Đường kính tháp chưng cất (Dt) :
Dt =

4Vtb
g tb

= 0,0188
π.3600.ω tb
( ρ y .ω y ) tb

(m)

Vtb :lượng hơi trung bình đi trong tháp m3/h.
ωtb :tốc độ hơi trung bình đi trong tháp m/s.
gtb : lượng hơi trung bình đi trong tháp Kg/h.
Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng và đoạn cất khác nhau.Do đó, đường
kính đoạn chưng và đoạn cất cũng khác nhau.
I. Đường kính đoạn cất :
1 . Lượng hơi trung bình đi trong tháp ở đoạn cất:
g + g1
g tb = d
kg/h
2
gd : lượng hơi ra khỏi đóa trên cùng của tháp kg/h
g1 : lượng hơi đi vào đóa dưới cùng của đoạn cất kg/h
• Xác đònh gd:
gd = D.(R+1) =2,07.(2,48+1) = 7,204 kmol/h
= 563,93 kg/h
(Vì MhD =78.yD+(1-yD).92 = 78,28 kg/kmol)
• Xác đònh g1 : Từ hệ phương trình :
 g1 = G1 + D

 g1 . y1 = G1 .x1 + D.x D (IV.1)
 g .r = g .r
d d
 1 1

Với:
G1 : lượng lỏng ở đóa thứ nhất của đoạn cất .
r1 : ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đóa thứ nhất của đoạn cất
rd : ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi ra ở đỉnh tháp .
* Tính r1 : t1 = tFs = 94oC , tra bảng I.212, trang 254, [5] ta có :
Ẩn nhiệt hoá hơi của Benzen : rB1 = 383,1 kJ/kg.
Ẩn nhiệt hoá hơi của Toluen : rT1 = 371,3 kJ/kg.
Suy ra : r1 = rB1.y1 + (1-y1).rT1 = 373,1y1 - 11,8y1
 r1 = 373,1y1 - 11,8y1 kJ/kg
* Tính rd : tD = 80 oC , tra bảng I.212, trang 254, [5] ta có :
Ẩn nhiệt hoá hơi của Benzen : rBd = 393,3 kJ/kg.
Ẩn nhiệt hoá hơi của Toluen : rTd = 378,3 kJ/kg .
Suy ra : rD = rBd.yD + (1-yD).rTd = 393,3.0,99 + 378,3.0,01
 rD = 393,15 kJ/kg
(với xD = 0,983 suy ra yD theo phân khối lượng là 0,99)
* x1 = xF = 0,4(ta coi n)

Trang 16


ĐAMH Q trình & Thiết bị

GVHD : Phan Đình Tuấn

Giải hệ (IV.1) , ta được : G1 = 593,3 kg/h
y1 = 0,524 (phân khối lượng benzen)
g1 = 755,1 kg/h
563,93 + 755,1
= 659,5 kg/h
Vậy : gtb =

2
2 . Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp ở đoạn cất:
Vận tốc hơi đi trong tháp ở đoạn cất:
( ρ y .wy ) tb = 0,065.ϕ [σ ] h.ρ xtb ρ ytb
Với : ρxtb : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng kg/m3 .
ρytb : khối lượng riêng trung bình của pha hơi kg/m3 .
h: khoảng cách mâm (chọn h = 0,3 ứng với D = 0,6-1,2m)
ϕ [σ ] : hệ số tính đến sức căng bề mặt
• Xác đònh ρ ytb :
[ y .78 + (1 − ytb ).92].273
ρ ytb = tb
22,4.( ttb + 273)
y + y D 0,468 + 0,99
Với: + Nồng độ phân mol trung bình : ytb = 1
=
= 0,725
2
2
t +t
98,5 + 80,5
+ Nhiệt độ trung bình đoạn cất : ttb = 1 D =
= 89,5 oC
2
2
Suy ra : ρytb =2,752 kg/m3.
• Xác đònh ρ xtb :
x + x D 0,44 + 0,983
Nồng độ phân mol trung bình : xtb = F
=
= 0,692

2
2
78.xtb
Suy ra : xtb =
= 65,5 %.
78.xtb + (1 − xtb ).92
ttb = 89,5oC , tra bảng I.2, trang 9, [5], ta có :
ρbenzen = 804kg / m3

ρtoluen = 798kg / m3
1
x
1 − xtb
= tb +
ρ xtb ρbenzen ρ toluen
ρxtb = 802 kg/m3
Xác định ϕ [σ ] : hệ số tính đến sức căng bề mặt
Ta có:
1
1
1
1
1
=
+
=
+
⇒ σ hh = 10,7.10 −3 N / m = 10,7 dyn / cm
−3
σ hh σ B σ T 21,3.10

21,5.10 −3
Với: σ B =21,3.10-3 N/m, σ T = 21,5.10-3 N/m (số liệu tra từ bảng I.242 trang 300 STT1)
Ta thấy σ hh < 20 theo STT2 – tr184 chọn ϕ [σ ] = 0,8

(ρ

y

.w y ) tb = 0,065.ϕ [σ ] h.ρ xtb ρ ytb = 0,065.0,8. 0,3.802.2,752 = 1,33kg / m 2 .s
D t = 0,0188

g tb
659,5
= 0,0188.
= 0,419m
1,33
( ρ y .ω y ) tb

Trang 17


ĐAMH Q trình & Thiết bị
Tốc độ hơi trung bình đi trong đoạn cất: w' y =
II.

GVHD : Phan Đình Tuấn

(ρ

y

.w y ) tb

ρy

=

1,33
= 0,483m / s
2,752

Đường kính đoạn chưng :
1 . Lượng hơi trung bình đi trong tháp ở đoạn chưng :
g , n + g ,1
g , tb =
; kg/h
2
g’n : lượng hơi ra khỏi đoạn chưng ; kg/h.
g’1 : lượng hơi đi vào đoạn chưng ; kg/h.
• Xác đònh g’n : g’n = g1 = 755,1 kg/h
• Xác đònh g’1 : Từ hệ phương trình :
G '1 = g '1 + W
 '
'
G 1 .x '1 = g 1 . yW + W .xW (IV.2)
 g ' .r ' = g ' .r ' = g .r
n
n
1 1
 1 1

Với : G’1 : lượng lỏng ở đóa thứ nhất của đoạn chưng .
r’1 : ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đóa thứ nhất của đoạn chưng.
* Tính r’1 : xW =0,012(phần mol) tra đồ thò cân bằng của hệ ta có : y* W
=0,016(phần mol), tương đương với nồng độ khối lượng là y*W = 0,014(phần khối
lượng)
t’1 = tW = 110oC, tra bảng I.212, trang 254, [5], ta có :
Ẩn nhiệt hoá hơi của Benzen : r’B1 = 370,56 kJ/kg.
Ẩn nhiệt hoá hơi của Toluen : r’T1 = 362,20 kJ/kg.
 r’1 = r’B1.yW + (1-yW).r’T1 =362,3 kJ/kg
* Tính r1 : t1 = tFs = 94oC , tra bảng I.212, trang 254, [5] ta có :
Ẩn nhiệt hoá hơi của Benzen : rB1 = 383,1 kJ/kg.
Ẩn nhiệt hoá hơi của Toluen : rT1 = 371,3 kJ/kg.
r1 = rB1.y1 + (1-y1).rT1 = 378,9 kJ/kg
* W = 240,6 kg/h
Giải hệ (IV.2) , ta được : x’1 = 0,0135 (phân mol)
G’1 = 1030,3 kg/h
g’1 = 789,7kg/h
789,7 + 755,1
= 772,4 kg/h
Vậy : g’tb =
2
2 . Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp ở đoạn chưng:
Vận tốc hơi đi trong tháp ở đoạn chưng:
( ρ y .wy ) tb = 0,065.ϕ [σ ] h.ρ xtb ρ ytb
Với : ρxtb : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng kg/m3 .
ρytb : khối lượng riêng trung bình của pha hơi kg/m3 .
h: khoảng cách mâm (chọn h = 0,3 ứng với D = 0,6-1,2m)
ϕ [σ ] : hệ số tính đến sức căng bề mặt
• Xác đònh ρ ytb :
[ y .78 + (1 − ytb ).92].273

ρ ytb = tb
22,4.( t tb + 273)

Trang 18


ĐAMH Q trình & Thiết bị

GVHD : Phan Đình Tuấn

y1 + y D 0,468 + 0,014
=
= 0,241
2
2
t1 + tW 98,5 + 110
+ Nhiệt độ trung bình đoạn chưng : ttb =
=
= 104,2oC
2
2
Suy ra : ρytb =2,96 kg/m3.
• Xác đònh ρ xtb :
x F + xW
0,44 + 0,012
Nồng độ phân mol trung bình : xtb =
=
= 0,226
2
2

78.xtb
Suy ra : xtb =
= 18,8 %.
78.xtb + (1 − xtb ).92
t F + tW
93 + 110
= 101,5oC , tra bảng I.2, trang 9, [ 5] , ta có :
ttb =
=
2
2
ρ benzen = 793kg / m 3
Với: + Nồng độ phân mol trung bình : ytb =

ρ toluen = 788kg / m 3
1
x
1 − xtb
= tb +
ρ xtb ρbenzen ρ toluen
Suy ra: ρxtb = 789 kg/m3
Xác định ϕ [σ ] : hệ số tính đến sức căng bề mặt
Ta có:
1
1
1
1
1
=
+

=
+
⇒ σ hh = 10,3.10 −3 N / m = 10,3dyn / cm
−3
−3
σ hh σ B σ T 18,8.10
21,5.10
-3
Với: σ B =18,8.10 N/m, σ T = 21,5.10-3 N/m (số liệu tra từ bảng I.242 trang 300 [ 5] )
Ta thấy σ hh < 20 theo STT2 – tr184 chọn ϕ [σ ] = 0,8

(ρ

y

.w y ) tb = 0,065.ϕ [σ ] h.ρ xtb ρ ytb = 0,065.0,8. 0,3.789,7.2,96 = 1,38

D t = 0,0188

g tb
772,4
= 0,0188.
= 0,444m
1,38
( ρ y .ω y ) tb

Tốc độ hơi trung bình đi trong đoạn chưng: w' y =

(ρ

y

.w y ) tb

ρ ytb

=

1,38
= 0,466m / s
2,96

Kết luận : hai đường kính đoạn cất và đoạn chưng không chênh lệch nhau quá lớn
nên ta chọn đường kính của toàn tháp là : Dt = 0,50 m.
Khi đó tốc độ hơi ở chế độ làm việc thực:
0,0188 2.g tb 0,0188 2.659,5
=
= 0,339 m/s
+ Phần cất : ωlv =
2
0,50 2.2,752
Dt .ρ y tb
+ Phần chưng : ωlv =

0,0188 2.g tb
Dt .ρ y tb
2

0,0188 2.772,4
=

= 0,369 m/s.
0,50 2.2,96

* chiều cao tháp chưng cất (Dt) :
H = Nt(Hđ + δ) + (0,8 ÷ 1), m (cơng thức IX.54- STT2 -Tr.169)

Trang 19


ĐAMH Quá trình & Thiết bị

III.

GVHD : Phan Đình Tuấn

Trong đó Nt - số đĩa thực tế; δ bề dày của đĩa, m; 0,8 ÷ 1 – khoảng cách cho phép ở
đỉnh và đáy thiết bị, m; Hđ – khoảng cách giữa các đĩa, m
H = 26.(0,25 +0,004 ) +0,8 = 7,4 m lấy tròn là H = 7,5 m
Trong đó bề dày đĩa δ = 0,004 m tính ở phần bề dày đĩa
Vậy kết luận chiều cao tháp H = 7,5 m
Trở lực của tháp chóp :
Trở lực của tháp chóp bao gồm: tổn thất áp suất khi dòng khí đi qua đĩa khô, tổn thất
do sức căng bề mặt, tổn thất thất do lớp chất lỏng trên đĩa và bỏ qua sự biến đổi chiều
cao lớp chất lỏng trên đĩa
Trở lực của tháp chóp được xác định the công thức:
∆P = N tt .∆Pd , N / m 2
Trong đó Ntt – số đĩa thực tế của tháp; ∆Pd - tổng trở lực của một đĩa, N/m2
∆Pd = ∆Pk + ∆Ps + ∆Pt
∆Pk - trở lực đĩa khô, N/m2
∆Ps - trở lực đĩa do sức căng bề mặt, N/m2

∆Pt - Trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa, N/m2


Trở lực của đĩa khô ∆Pk :

ρ y .w 2 0
2
Trong đó: ξ - hệ số trở lực, thường chọn ξ = 4,5 – 5(ở đây ta chọn ξ = 5); ρ y khối lượng riêng của pha hơi, kg/m3; w0 – tốc độ khí qua rãnh chóp, m/s
Với khối lượng riêng pha hơi đi trong toàn tháp:
2,752 + 2,96
ρy =
= 2,856kg / m 3
2
∆Pk = ξ

Vận tốc khí trung bình đi qua một rãnh của chóp(phần tính toán chóp ta chọn một đĩa
10 chóp, một chóp 10 rãnh), vậy:
0,369 + 0.339 1 1
w0 =
= 35,4m / s
2
10 10
ρ y .w 2 0
2,586.35,4 2
∆
P
Suy ra: k = ξ
= 5.
= 8045,3 N / m 2
2

2
 Trở lực do sức căng bề mặt ∆Ps , N/m2
4.σ
∆Ps =
, N/m2
d tđ
Trong đó σ - sức căng bề mặt, N/m; dtđ – đường kính tương đương của khe rãnh
chóp,m
4. f x
Khi rãnh chóp mở hoàn toàn: dtđ =
Π
Ở đây f x - diện tích tiết diện tự do của rãnh. f x = a.b = 5.10 = 50mm2 với a,b là bề
rộng và chiều cao của rãnh chóp, mm. Π - chu vi rãnh chóp, Π = 2.(a+b) = 30mm
4. f x 4.50
=
= 6,67 mm = 6,67.10 −3 m
Suy ra: dtđ =
Π
30

Trang 20


ĐAMH Quá trình & Thiết bị

GVHD : Phan Đình Tuấn

4.σ 4.10,5.10 −3
=
= 6,296 N / m 2 , với σ là sức căng bề mặt trung bình

−3
d tđ
6,67.10
của phần chưng và phần cất, như ta đã tính ở phần vận tốc hơi đi trong tháp thì
σ cất = 10,7.10-3 N/m, σ chưng = 10,3.10-3 N/m,
σ + σ chung
suy ra σ = cât
= 10,5.10 −3 N/m
2
 Trở lực của chất lỏng trên đĩa ∆Pt , N/m2 (trở lực thủy tĩnh)
b

∆Pt = ρ b .g  hb −  , N/m2
2

Trong đó b – chiều cao khe chóp, m; ρ b - khối lượng riêng bọt, kg/m3; hb – chiều cao
của lớp bọt trên đĩa, m; g – gia tốc trọng trường, m/s2
+ Khối lượng riêng bọt ρ b = 0,5 ρ x = 0,5.795,5 = 379,75 kg/m3, với ρ x - khối lượng
riêng trung bình pha lỏng phần chưng và phần cất,
ρ + ρ chung 789 + 802
ρ x = cât
=
= 795,5kg / m 3
2
2
+ hb – chiều cao lớp bọt lấy bằng hai lần chiều cao lớp chất lỏng trên đĩa, theo phần
tính toán cho đĩa thì chiều cao lớp chất lỏng trên đĩa là 25mm, vậy hb = 50mm
+b – chiều cao khe chóp, tính toán ở phần chóp ta có b = 10mm
Suy ra:
b

0,01 


2
∆Pt = ρ b .g  hb −  = 379,75.9,81 0,05 −
 = 167,6 N / m
2
2 


Tổng trở lực của 1 đĩa:
∆Pd = ∆Pk + ∆Ps + ∆Pt = 8045,3 + 6,296 + 167,6 = 8219,2N/m2
Trở lực của toàn tháp:
∆P = N tt .∆Pd = 25.8219,2 = 16438,39 N / m 2
Kết luận: Trở lực của toàn tháp ∆P = 16438,39 N/m2
Vậy ∆Ps =

Trang 21


ĐAMH Q trình & Thiết bị

GVHD : Phan Đình Tuấn

CHƯƠNG 5:

CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG
I.

CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG CHO THIẾT BỊ NGƯNG TỤ :

Qnt =(R+1)D.rD kW
Qnt : nhiệt ngưng tụ, kW
• Với rD = x D .rB +(1- x D ).rT
• Tại xD = 0,98 tra bảng IX-2a trang 135 STT2 ta có TD = 80 . Tại nhiệt độ này ta có:
rB= 392,4.103 J/kg và rT=377,8.103 J/kg
rD = 0,98 x 392,4.103 + 0,02 x 377,8.103 = 392,108.103 J/kg
2,07.78,28
Do đó Qnt =
. 392,108 (2.48+1) = 61,42 kW
3600

II.

CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG CHO THIẾT BỊ GIA NHIỆT DỊNG NHẬP
LIỆU ĐẾN NHIỆT ĐỘ SƠI :
QF =CF .F(TF - TVào), kW
• Tại xF = 0,44 nội suy từ bảng IX-2a trang 146 STT2 ta có TF = 94oC
94 + 25
Nhiệt dung riêng của nhập liệu tra ở nhiệt độ trung bình
t=
=59,5oC
2
tại nhiệt độ này ta có CB =1930 J/kgđộ , CT=1900 J/kgđộ (Bảng I.153 TR171-172 [ 5] ).
Ta có CF= x F CB + (1- x F )CT = 0,4.1930+ (1-0,4).1900 = 1913,2 J/kgđộ
Do đó
4,87.86,4
QF=1913,2.
(94 -25) = 15,43 kW
3600
Nếu coi tổn thất trên đường nhập liệu bằng 5% thì QF = 1,05.15,43=16,2 Kw

III.

CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG CHO THIẾT BỊ LÀM NGUỘI SẢN PHẨM
ĐÁY TỪ NHIỆT ĐỘ 110OC XUỐNG 35OC :
QW = WCW(TW- TWra), kW

110 + 35
=72,5oC . Tại nhiệt
2
[
5
]
độ này ta nội suy từ bảng I.153 TR171-172ta có : CB=1983 J/kgđộ,
CT=1952J/kgđộ
Nên CW = x w CB + (1- x w )CT = 0,01. 1983 + (1-0,01).1952= 1952,31 J/kgđộ
2,8. 91,86
Do đó QW=
.1952,31.(110-35)=11,86, kW
3600
Nhiệt dung riêng được xác đònh ở nhiệt độ trung bình T=

IV.

CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG CHO THIẾT BỊ LÀM NGUỘI SẢN PHẨM
ĐỈNH TỪ NHIỆT ĐỘ 80OC XUỐNG 35OC :
QD =CD.D(TD- TDra), kW

Trang 22

ĐAMH Q trình & Thiết bị

GVHD : Phan Đình Tuấn

80 + 35
=57,5oC . Tại
2
nhiệt độ này ta nội suy các giá trị nhiệt dung riêng ở bảng I.153 TR171-172- [ 5] :
CB=1877.5 J/kgđộ , CT=1850 J/kgđộ
Tương tự ta tính được CD=1877 J/kgđộ
2,07.86,4
Do đó QD =
.1877 .(80-35)=5,13 kW
3600
Nhiệt dung riêng cũng được xác đònh ở nhiệt độ trung bình T=

V.

NHIỆT LƯỢNG CUNG CẤP CHO ĐÁY THÁP :
Từ cân bằng nhiệt lượng ta có:
QT = Qnt + QW + QD – QF + Qf=1,05.( 61,42 + 11,86 + 5,13- 16,2 ) = 65,32 kW
Qf : là lượng nhiệt tổn thất, ta lấy khoảng 5% tổng lượng nhiệt có ích cung cấp cho đáy
tháp

Trang 23


ĐAMH Q trình & Thiết bị

GVHD : Phan Đình Tuấn

CHƯƠNG 6:

TÍNH TỐN CƠ KHÍ
I . THÂN THÁP :

1. Bề dày thân :
Vì thiết bò hoạt động ở áp suất thường nên ta thiết kế thân hình trụ bằng phương
pháp hàn hồ quang điện, kiểu hàn giáp mối 2 phía. Để đảm bảo chất lượng của sản
phẩm và khả năng ăn mòn của benzen đối với thiết bò, ta chọn thiết bò thân thiết bò là
thép không gỉ mã X18H10T. Thân tháp được ghép với nhau bằng mối ghép bích. Vì tháp
làm việc với nhiệt độ lớn hơn 1000C nên cần phải bọc cách nhiệt cho tháp.

Các thông số cần tra và chọn phục vụ cho quá trình tính toán:
 Nhiệt độ tính toán : t = tmax + 20 = 110 + 20 = 1300C
 Áp suất tính toán :
Vì tháp hoạt động ở áp suất thường nên ta coi áp suất tính tốn bằng với áp suất thủy tĩnh
lớn nhất tác dụng lên đáy tháp. Điều kiện nguy hiểm nhất chọn để tính tốn đó là tháp
chứa đầy Toluene ở nhiệt độ 300C khi đó khối lượng riêng của Toluene ρT = 856,5 kg/m3
Nên: P = (Hthân + 2Hnắp).g.ρT = (7,5 + 2.0,15).9,81.856,5 = 61328 N/m2 ≈ 0,0613 N/mm2
Với dung tích tháp nhỏ hơn 30m 3 ta chọn theo bảng 1.1 tr10- Tính tốn thiết kế chi tiết thiết
bị hóa chất dầu khí – Hồ Lê Viên thì áp suất tính tốn P = 0,01N/mm 2, nên ta chọn áp suất
tính tốn theo điều kiện nguy hiểm nhất như trên đã tính.
với Hnắp = h + ht = 125 +25 =150 mm(tính ở phần đáy nắp).
Hệ số bổ sung do ăn mòn hóa học của mơi trường:
Chọn hệ số bổ sung do ăn mòn hóa học Ca = 1 mm

Ứng suất cho phép tiêu chuẩn: của X18H10T
*

[σ] = 140 N/mm2 (Hình 1.2, trang 16, [ 7] Hệ số hiệu chỉnh: η = 1

Ứng suất cho phép: [σ] = η [σ]* = 140 N/mm2 (chọn η = 1)

Hệ số bền mối hàn:
Vì dùng phương pháp hàn hồ quang điện kiểu hàn giáp mối hai phía
⇒ ϕh = 0,95 (Bảng XIII.8, trang 362, 6 )

Tính bề dày: Cho thân trụ hàn chịu áp suất trong
[σ ]
140
ϕh =
× 0,95 = 1618 > 25
P
0,061
Nên ta tính bề dày thân theo cơng thức 5.3 tr96 – [ 7] Bề dày tối thiểu: S’ =
P.Dt
0,105.500
=
= 0,197 mm
2[σ ]ϕ h 2.140.0,95
⇒ S’ + Ca = 0,197 + 1 = 1,197 mm
Quy tròn theo chuẩn: S = 2 mm, tuy nhiên dựa vào bảng 5.1 trg 94 - [ 7]
Tính kiểm tra bền: Cho thân trụ hàn chịu áp suất trong
S − Ca
4 −1
≤ 0,1 ⇔
≤ 0,1 ⇔ 0,006 ≤ 0,1 (thỏa)
Điều kiện:
Dt

500

Trang 24


ĐAMH Q trình & Thiết bị

GVHD : Phan Đình Tuấn

2[σ ]ϕ h ( S − C a ) 2 × 140 × 0,95 × (4 − 1)
=
= 1,586 > P = 0,061 N/mm2 : thỏa
Dt + ( S − C a )
500 + ( 4 − 1)
Vậy kết luận: bề dày thân tháp S = 4mm, đường kính ngồi tháp Dn = 500 + 2.4 =508 mm
Nên: [ P] =

II. Tính Tốn Chóp :

Chọn chóp sử dụng trong tháp là chóp tròn
+ Đường kính ống hơi: dh = 26 mm
+ Số chóp phân bố trên đĩa: n = 10 chóp
Chọn số chóp n = 10, với khoảng cách giữa tâm của hai chóp 100mm
+ Chiều cao chóp tính từ mặt đĩa đến đỉnh chóp 70mm
+ Đường kính trong của chóp 46mm
Với: δ ch - bề dày chóp, thường lấy 2 mm - 3 mm, ta chọn 2 mm
Suy ra đường kính ngồi của chóp 50mm
+ Khoảng cách từ mặt đĩa đến chân chóp S = 15 mm
+ Chiều cao gờ chảy tràn 45mm
+ Chiều cao khe chóp

ξw 2 y .ρ y
b=
g.ρ x
4V y
4.245
=
= 3,5 , Vy – lưu lượng hơi đi trong tháp, m 3/h; ξ
Với w y =
2
2
3600.π .d h .n 3600.π .0,05 .10
- hệ số trở lực của đĩa chóp, thường lấy bằng 1,5 -2; ρ y ρ x - khối lượng riêng trung bình
của pha hơi và pha lỏng, kg/m3
2.3,5 2.2,8
= 0,0218 m, chọn b = 25 mm
Suy ra b =
9,81.790
+ Chọn bề rộng khe chóp 5mm
+ Chọn khoảng cách lớn nhất từ gờ chảy chuyền đến thân tháp 60mm(bề dày 4mm)
+ Chọn khoảng cách từ gờ chảy tràn đến thân tháp 80mm(bề dày 4mm)
+ Bố trí các chóp trên đĩa sao cho 3 chóp liên tiếp nhau tạo thành hình tam giác đều

III. Tính Tốn Đáy và Nắp Thiết Bị

Chọn đáy và nắp có dạng hình ellip tiêu chuẩn, có gờ, làm bằng thép X18H10T
[σ ]
140
ϕh =
× 0,95 = 940 > 25
Ta có:

P
0,105
Nên bề dày đáy và nắp chịu áp suất trong tính theo cơng thức 6.9 (Tính tốn các chi tiết
thiết bị hóa chất và dầu khí –Hồ Lê Viên)
Rt .P
S=
+ Ca
2.[σ k ].ϕ h

Trang 25