Tính toán và thiết kế hệ thống chưng luyện liên tục, thiết bị loại: Tháp đĩa để phân riêng hỗn hợp: Axeton – Nước

ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ

Mục lục
LỜI MỞ ĐẦU....................................................................................................................... 3
PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI ................................................................................. 4
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN PHƯƠNG PHÁP CHƯNG LUYỆN ................................... 4
1.1. Chưng luyện là gì?................................................................................................. 4
1.2. Các phương pháp chưng luyện ............................................................................ 4
1.3. Nguyên tắc chưng luyện ........................................................................................ 5
1.4. Hình vẽ hệ thống sơ đồ chưng luyện .................................................................... 5
1.5. Thuyết minh sơ đồ công nghệ............................................................................... 5
1.6. Sơ đồ tháp đĩa ........................................................................................................ 6
1.7. Nguyên tắc hoạt động của tháp đĩa: .................................................................... 6
CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ HÓA CHẤT ................................................................... 8
2.1. Axeton – (CH3)2CO ............................................................................................... 8
2.1.1. Tính chất Vật lý ................................................................................................... 8
2.1.2. Tính chất hóa học ........................................................................................ 8
2.1.3 Phương pháp điều chế .................................................................................. 9
2.1.4. Ứng dụng.................................................................................................... 10
2.2. Nước – H2O .......................................................................................................... 10
2.2.1. Tính chất Vật lý.......................................................................................... 10
2.2.2. Tính chất hóa học ...................................................................................... 11
2.2.3. Phương pháp điều chế ............................................................................... 11
2.2.4. Ứng dụng.................................................................................................... 11
PHẦN II: TÍNH CÔNG NGHỆ THIẾT BỊ CHƯNG LUYỆN...................................... 12
CHƯƠNG 1: TÍNH CÂN BẰNG VẬT LIỆU ................................................................. 12
1.1. Cân bằng vật liệu tính theo lưu lượng khối lượng ........................................... 12
1.2. Cân bằng vật liệu tính theo lưu lượng mol ....................................................... 15
1.3. Cân bằng vật liệu tính theo lưu lượng thể tích ................................................. 17
1.4. Tổng hợp các số liệu vào bảng và thiết lập cân bằng toàn phần theo đơn vị
thời gian....................................................................................................................... 20

CHƯƠNG 2: XÁC ĐỊNH SỐ ĐĨA THỰC TẾ THEO PHƯƠNG PHÁP ĐỒ THỊ .... 22
2.1. Đường cân bằng x–y và đồ thị t–x–y theo thực nghiệm. .................................. 22
2.2. Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp và viết phương trình các đường làm việc 23
2.2.1. Xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu của tháp................................................ 23
2.2.2. Chỉ số hồi lưu thực tế ................................................................................ 23

Trang 1


ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ

2.2.3. Phương trình nồng độ làm việc của đoạn luyện ...................................... 23
2.2.4. Phương trình nồng độ làm việc của đoạn chưng ..................................... 24
2.3. Xác định số đĩa lý thuyết..................................................................................... 25
2.4. Xác định số đĩa thực tế ........................................................................................ 25
2.4.1. Xác định hiếu suất trung bình của tháp ................................................... 26
2.4.2. Xác định số đĩa thực tế .............................................................................. 28
CHƯƠNG 3: TÍNH ĐƯỜNG KÍNH VÀ CHIỀU CAO THÁP ..................................... 30
3.1. Đường kính tháp.................................................................................................. 30
3.1.1. Đường kính của đoạn luyện ...................................................................... 30
3.1.2. Đường kính của đoạn chưng .................................................................... 35
3.2. Chiều cao tháp ..................................................................................................... 40
CHƯƠNG 4: CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG TÍNH LƯỢNG HƠI ĐỐT CẦN CUNG
CẤP ..................................................................................................................................... 41
4.1. Cân bằng nhiệt lương cho tháp chưng .............................................................. 41
4.1.1. Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào .................................................... 41
4.1.2. Nhiệt lượng do lỏng hồi lưu mang vào ..................................................... 42
4.1.3. Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra..................................................... 43
4.1.4. Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp .................................................. 44
4.1.5. Nhiệt lượng tổn hao ra môi trường xung quanh ..................................... 45

4.1.6. Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp cho đáy tháp và lượng hơi đốt đáy tháp
.............................................................................................................................. 45
4.2. Lượng hơi đốt cần cung cấp cho thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu ................... 46
4.2.1. Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào .................................................... 46
4.2.2. Nhiệt lượng do hỗn hợp mang ra khỏi thiết bị ......................................... 47
4.2.3. Lượng nhiệt trao đổi .................................................................................. 47
4.2.4. Lượng nhiệt tổn hao ra môi trường .......................................................... 47
4.2.5 Lượng nhiệt cần để đun nóng hỗn hợp đầu .............................................. 47
Tài liệu tham khảo .............................................................................................................. 49

Trang 2


ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ

LỜI MỞ ĐẦU
Trong thời kỳ Cổ đại các loại tinh dầu được chưng cất nhiều nhất. Vào thời kỳ
chuyển tiếp thế kỷ (năm 1000), khi Axit Sulfuric và Axit Nitric và đặc biệt là từ khi
rượu (Etanol) được khám phá thì chưng cất trở thành một phương pháp hết sức quan
trọng. Thêm vào đó, trong thế kỷ XVII, là việc chưng cất lấy nước ngọt từ nước
biển và chưng cất nhựa đường và hắc ín để trét kín tàu. Ứng dụng lâu đời nhất là để
sản xuất rượu mạnh, nồng độ Etanol có thể nâng lên cao tối đa là 95,57%.
Xã hội và đời sống con người ngày càng phát triển vì vậy nhu cầu về các sản
phẩm sạch và tinh khiết là một nhu cầu cần thiết không thể thiếu. Kết hợp với sự
phát triển của khoa học kỹ thuật các phương pháp nâng cao độ tinh khiết luôn được
cải thiện và đổi mới mỗi ngày. Vì vậy, phương pháp chưng rất phổ biến. Chưng là
phương pháp dùng tách các hỗn hợp khí, lỏng thành các cấu tử khác nhau trong hỗn
hợp. Có nhiều phương pháp chưng: chưng đơn giản, chưng bằng hơi nước trực tiếp,
chưng chân không, chưng liên tục, chưng gián đoạn. Riêng chưng luyện có 3
phương pháp: chưng luyện áp suất cao, chưng luyện áp suất thấp, chưng luyện áp

suất thường.
Nước và Axeton có rất nhiều ứng dụng trong đời sống. Axeton sử dụng nhiều
làm dung môi, phục vụ cho dược phẩm, mỹ phẩm và hóa chất. Còn nước là một
chất không thể thiếu trong sinh hoạt và công nghiệp, nước dung môi phân cực mạnh
có thể hòa tan các chất rắn, chất khí. Vì vậy, ta dùng phương pháp chưng luyện liên
tục để tạo sản phẩm tinh khiết.
Mục đích của đồ án quá trình thiết bị là thiết kế tính toán hệ thống chưng luyện
hỗn hợp Axeton – Nước, thiết bị tháp đĩa. Đồ án quá trình thiết bị giúp sinh viên
tổng hợp những kiến thức đã học vận dụng vào thực tế. Học phần giúp sinh viên
giải quyết các vấn đề trong thực tế quy trình công nghệ, kết cấu, giá thành thiết bị
sản xuất hóa chất thực phẩm.

Trang 3


ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ

PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN PHƯƠNG PHÁP CHƯNG LUYỆN
1.1. Chưng luyện là gì?
Chưng luyện là phương pháp dùng để tách các hỗn hợp chất lỏng cũng như các
hỗn hợp khí đã hóa lỏng thành những cấu tử riêng biệt dựa vào độ này hơi khác
nhau của các cấu tử trong hỗn hợp, nghĩa là khi ở cũng một nhiệt độ thì áp suất hơi
của các cấu tử khác nhau.
Khi chưng ta thu được nhiều sản phẩm và thường thì có bao nhiêu cấu tử thì có
bấy nhiêu sản phẩm. Đối với trường hợp chưng hỗn hợp chỉ có hai cấu tử thì sản
phẩm đỉnh gồm cấu tử có độ bay hơi lớn hơn và một phần rất nhỏ cấu tử có độ bay
hơi bé bị cuốn theo còn sản phẩm đáy gồm cấu tử có độ bay hơi bé và một ít cấu tử
có độ bay hơi lớn.
1.2. Các phương pháp chưng luyện

Trong sản xuất có rất nhiều phương pháp chưng như chưng đơn giản, chưng
bằng hơi nước trực tiếp, chưng bằng chân không và chưng luyện. Tùy thuộc vào
điều khiện sẵn có, tính chất hỗn hợp, yêu cầu về độ tinh khiết sản phẩm mà ta chọn
phương pháp chưng cho thích hợp.
-

Chưng đơn giản dùng để tách các hỗn hợp cấu tử có độ bay hơi rất khác
nhau. Phương pháp này dùng để tách sơ bộ và làm sạch các cấu tử khỏi tạp
chất.

-

Chưng cất bằng hơi nước trực tiếp dùng để tách các hỗn hợp gồm các cấu tử
khó bay hơi và tạp chất không bay hơi, thường dùng trong trường hợp chất
được tách không tan vào trong nước.

Trang 4


ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ

-

Chưng chân không dùng trong trường hợp cần hạ thấp nhiệt độ sôi cấu tử. Ví
dụ như trường hợp các cấu tử trong hỗn hợp dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao
hay trường hợp các cấu tử có nhiệt độ sôi quá cao.

-

Chưng luyện là phương pháp phổ biến nhất để tách hoàn toàn hỗn hợp các

cấu tử dễ bay hơi có tính chất hòa tan một phần hoặc hoàn toàn vào nhau.
+ Chưng luyện ở áp suất thấp dùng cho các cấu tử trong hỗn hợp dễ bị phân
hủy ở nhiệt độ cao và có nhiệt độ sôi cao.
+ Chưng luyện ở áp suất cao dùng cho các hỗn hợp không hóa lỏng ở áp
suất thường.
+ Chưng luyện ở áp suất thường (áp suất khí quyển) dùng cho các hỗn hợp
không thuộc các trường hợp trên.

1.3. Nguyên tắc chưng luyện
Chưng luyện là quá trình tách hỗn hợp lỏng thành cấu tử riêng biệt dựa trên cơ
sở độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn. Hơi đi từ dưới lên còn lỏng đi từ
trên xuống khi hai pha tiếp xúc trực tiếp với nhau sẽ xảy ra qúa trình tiếp xúc lỏng –
hơi. Các cấu tử nhẹ sẽ được tách ra và cuốn lên trên, các cấu tử nặng sẽ theo dòng
lỏng đi xuống, quá trình tiếp xúc lỏng hơi càng nhiều thì sản phẩm thu được có chất
lượng càng tốt. Trên đỉnh tháp ta thu được sản phẩm giàu cấu tử dễ bay hơi còn đáy
tháp ta thu được sản phẩm toàn cấu tử có độ bay hơi thấp.
1.4. Hình vẽ hệ thống sơ đồ chưng luyện
Hình 1.1. Sơ đồ hệ thống chưng luyện liên tục
1.5. Thuyết minh sơ đồ công nghệ
Hỗn hợp Axeton và Nước có nồng độ Axeton 14% (phần mol) nhiệt độ khoảng
25oC ở thùng chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm liên tục lên thùng cao vị (3)
Trang 5


ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ

mức chất lỏng cao nhất ở thùng cao vị được khống chế nhờ ống chảy tràn, từ thùng
cao vị hỗn hợp được đưa vào thiết bị đun nóng (4) qua lưu lượng kế, ở đây nguyên
liệu được đun nóng đến nhiệt độ sôi bằng hơi nước bão hòa, từ thiết bị gia nhiệt (4)
nguyên liệu được đưa vào tháp chưng luyện (5) tại đĩa tiếp liệu, trong tháp hơi đi từ

dưới lên và lỏng đi từ trên xuống, nhiệt độ và nồng độ các cấu tử thay đổi theo từng
đĩa trong tháp. Hơi bay từ đĩa dưới lên đĩa phía trên và lỏng đi từ trên xuống, các
cấu tử có nhiệt độ sôi cao sẽ được ngưng tụ lại và cuối cùng trên đỉnh ta thu được
sản phầm gồm hầu hết các cấu tử dễ bay hơi (Axeton). Hơi đó đi vào thiết bị ngưng
tụ hồi lưu (6), một phần được hồi lưu về tháp ở đĩa trên cùng, độ tinh khiết của sản
phẩm phụ thuộc vào lượng lỏng được hồi lưu lại tháp, lỏng hồi lưu càng nhiều thì
sảm phầm càng tinh khiết. Phần còn lại được đưa vào thiết bị làm lạnh (7) để làm
lạnh đến nhiệt độ cần thiết rồi đi vào thùng chứa sản phẩm đỉnh (8).
Chất lỏng đi từ trên xuống gặp hơi có nhiệt độ cao hơn, một phần cấu tử có
nhiệt độ sôi thấp bị bốc hơi nên nồng độ cấu tử khó bay hơi tăng lên. Và cuối cùng
ở đáy tháp ta thu được sản phẩm lỏng gồm hầu hết là các cấu tử khó bay hơi
(Nước), sản phầm đáy đi ra khỏi tháp một phần được gia nhiệt tại thiết bị (9) và đưa
vào tháp phần còn lại được làm lạnh rồi đi vào thùng chứa sản phẩm đáy (10). Như
vậy, với thiết bị làm việc liên tục thì nguyên liệu được đưa vào liên tục và sản phẩm
cũng được tháo ra liên tục.
1.6. Sơ đồ tháp đĩa
Hình 1.2. Sơ đồ tháp đĩa
1.7. Nguyên tắc hoạt động của tháp đĩa:
Tháp có nhiều đĩa, mỗi đĩa của tháp ứng với một nồi chưng của sơ đồ trên. Bộ
phận đun nóng ở dưới đáy tháp. Hơi đi từ dưới lên qua các lỗ của đĩa. Chất lỏng
chảy từ trên xuống theo các ống chảy truyền. Nồng độ các cấu tử thay đổi theo
chiều cao của tháp, nhiệt độ sôi cũng thay đổi tương ứng với sự thay đổi nồng độ.

Trang 6


ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ

Trên đĩa (1) chất lỏng chứa cấu tử dễ bay hơi (Axeton) nồng độ x1, bốc hơi lên
từ đĩa 1 có nồng độ cân bằng với x1 là y1, trong đó y1 > x1. Hơi này đi qua các lỗ lên

đĩa 2 tiếp xúc với chất lỏng trong đĩa 2.
Nhiệt độ đĩa 2 thấp hơn đĩa 1 nên một phần hơi được ngưng tụ lại, do đó nồng
độ x2 > x1. Hơi này bốc lên từ đĩa 2 có nồng độ tương ứng cân bằng với x2 là y2,
trong đó y2 > x2.
Hơi từ đĩa 2 đi lên đĩa 3 và nhiệt độ ở đĩa 3 thấp hơn, hơi ngưng tụ một phần do
đó chất lỏng trên đĩa 3 có nồng độ x3 > x2. Tương tự như vậy, cấu tử dễ bay hơi
(Axeton) đi lên và được đưa ra ở đỉnh tháp còn cấu tử khó bay hơi hơn (Nước) dần
dần ngưng tụ và đưa ra ở đáy tháp.

Trang 7


ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ HÓA CHẤT
2.1. Axeton (CH3)2CO
2.1.1. Tính chất Vật lý
Axeton là một chất lỏng dễ cháy, không màu có mùi đặc trưng và là
dạng Xeton đơn giản nhất. Axeton tan vô hạn trong nước do cả đều phân cực và nó
là dung môi hòa tan nhiều chất hữu cơ.
-

Công thức hóa học:

CH3COCH3

-

Khối lượng phân tử:

58 g/mol

-

Khối lượng riêng:

0,7908 g/cm3

-

Nhiệt độ nóng chảy:

– 94,6oC

-

Nhiệt độ sôi:

56,9oC

2.1.2. Tính chất hóa học
-

Phản ứng cộng:
+ Cộng với H2 cho rượu bậc II
(CH3)2CO + H2 → (CH3)2CH–OH (Đk: Ni, nhiệt độ)
+ Cộng với NaHSO3 (trong dd bão hòa)
(CH3)2CO + NaHSO3 → (CH3)2C(OH)SO3Na

-

Phản ứng Oxi hóa:
CH3CO–CH3 + K2Cr2O7 + H2SO4 →
CH3COOH + CO2 + Cr2(SO4)3 + K2SO4 + H2O

Trang 8


ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ

-

Phản ứng với Amin
(CH3)2C=O + H2N–R → (CH3)2C=N–R + H2O

2.1.3 Phương pháp điều chế
-

Từ Cumen(*) (Oxi hóa):
C6H5 –CH(CH3)2 + O2 → C6H5C(CH3)2–O–OH
C6H5–C(CH3)2–O–OH → C6H5OH + CH3COCH3
(*) Cumen được điều chế từ benxen:
C6H6 + CH3CH=CH2 → C6H5CH(CH3)2

-

Từ CH3COOH:
2CH3COOH → CH3COCH3 +CO2 + H2O (Đk: 400oC)

-

Từ C2H5OH:
2C2H5OH + H2O → CH3COCH3 + CO2 + H2
(Đk: Nhiệt độ 400oC; Cr2O3 + Fe2O3)

-

Một số phương pháp khác:
+ Oxi hóa rượu bậc II:
CH3CH(OH)CH3 + CuO → (CH3)2CO + Cu + H2O (Đk: Nhiệt độ)
+ Hidrat hóa ankin –I:
CH3CCH + H2O → (CH3)2CO (Đk: Xt)
+ Từ muối Axit hữu cơ:
(CH3COO)2Ca → CH3COCH3 + CaCO3 (Đk: nung khan)
Trang 9


ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ

2.1.4. Ứng dụng
Axeton là một dung môi tốt cho nhựa và một số sợi tổng hợp. Axeton được
dùng để pha loãng nhựa. Dung môi Axeton được sử dụng rộng rãi để làm chất tẩy
rửa vật dụng thủy tinh trong phòng thí nghiệm vì giá thành thấp và dễ bay hơi. Tuy
được sử dụng rộng rãi làm chất tẩy rửa, nhưng Axeton không mấy hiệu quả trừ khi
được pha loãng nhiều.
Axeton sử dụng làm dung môi trong công nghiệp dược phẩm, là thành phần tá
dược trong một số loại thuốc, và để sản xuất rượu biến tính. Axeton là thành phần
chính trong các chất tẩy rửa sơn móng tay, chất tẩy keo siêu dính và chất tẩy cho đồ
gốm sứ, thủy tinh.
2.2. Nước H2O

2.2.1. Tính chất Vật lý
Trong điều kiện bình thường nước là chất lỏng không màu, không mùi, không vị
nhưng khối nước dày có màu xanh nhạt. Nước là dung môi phân cực mạnh. Nước là
hợp chất chiếm phần lớn trên trái đất (khoảng 3/4 diện tích trái đất là biển) và rất
cần cho sự sống.
-

Công thức hóa học:

H2O

-

Khối lượng phân tử:

18 g/mol

-

Khối lượng riêng:

1 g/cm3

-

Nhiệt độ nóng chảy, hóa rắn:

0oC

-

Nhiệt độ sôi:

100oC

Trang 10


ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ

2.2.2. Tính chất hóa học
Nước là một chất lưỡng tính, có thể phản ứng như một axit hay bazơ. Ở pH =7
(trung tính) hàm lượng các ion hydroxyt (OH–) cân bằng với hàm lượng của
hydronium (H3O+). Khi phản ứng với một axit mạnh hơn ví dụ như HCl, nước phản
ứng như một chất kiềm:
HCl + H2O ↔ H3O+ + Cl–
Với ammoniac nước lại phản ứng như một axit:
NH3 + H2O ↔ NH4+ + OH–
2.2.3. Phương pháp điều chế
-

Nước có thể được điều chế từ phương pháp chưng cất trực tiếp.

-

Phản ứng cộng:
O2 + H2 → H2O (Đk: Nhiệt độ)

-

Phản ứng phân hủy:
H2O2 → H2O + O2 (Đk: Nhiệt độ)

2.2.4. Ứng dụng
Nước là một chất phân cực mạnh nó được sử dùng làm dung môi hòa tan các chất
rắn, lỏng, khí.
Nước đóng một vài trò rất quan trọng đối với con người và tất cả các sinh vật trên
Trái Đất, sự sống được bắt nguồn từ nước. Nước cần cho tất cả các hoạt động về
sinh hoạt, sản xuẩt nông nghiệp, công ngiệp… và các mặt khác của cuộc sống.

Trang 11


ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ

PHẦN II: TÍNH CÔNG NGHỆ THIẾT BỊ CHƯNG LUYỆN
CHƯƠNG 1: TÍNH CÂN BẰNG VẬT LIỆU
Gọi:

NF, NP, NW: lần lượt là lưu lượng mol hỗn hợp đầu đỉnh đáy.
GF, GP, GW: lần lượt là lưu lượng khối lượng hỗn hợp đầu đỉnh đáy.
xF, xP, xW: nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp đầu,
sản phẩm đỉnh, đáy.
aF, aP, aW: nồng độ phần khối lượng của cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp
đầu, sản phẩm đỉnh, đáy.

1.1. Cân bằng vật liệu tính theo lưu lượng khối lượng
Lưu lượng khối lượng hỗn hợp đầu = Lưu lượng khối lượng sản phẩm
đỉnh + Lưu lượng khối lượng sản phẩm đáy.
 Phương trình cân bằng vật liệu toàn tháp.

GF = GP + GW

(1)

Trong đó:
GF: lưu lượng khối lượng hỗn hợp đầu; kmol/s
GP: lưu lượng khối lượng hỗn hợp sản phẩm đỉnh; kmol/s
GW: lưu lượng khối lượng hỗn hợp sản phẩm đáy; kmol/s
 Phương trình cân bằng vật liệu đối với cấu tử dễ bay hơi.
GFaF = GP aP + GW aW

Trang 12

(2)


ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ

Trong đó:
aF : Nồng độ phần khối lượng của cấu tử dễ bay hơi hỗn hợp đầu.
aP : Nồng độ phần khối lượng của cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đỉnh.
aW : Nồng độ phần khối lượng của cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy.
Từ hai biểu thức trên ta có:

GF
aP aW

 GP = G F ×

=a

GP
F

aW

=a

GW
P

a F - aW

(3)

aF

(4)

a P - aW

 GW = G F – GP

(5)

 Theo đề ta có:
GF = 2500 (kg/h)
xF = 14 (%mol) = 0,14 (mol)
xP = 95 (%mol) = 0,95 (mol)
xw = 0,05 (%mol) = 0,0005 (mol)

MA = 58 (Axeton) (CH3)2CO

MB = 18 (Nước) H2O

 Công thức chuyển nồng độ mol sang nồng độ phần khối lượng cấu tử dễ bay
aK
a
hơi.
xK =
÷∑ i
MK
Mi
Trong đó:

xK: Nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi
MK: Khối lượng phân tử của cấu tử dễ bay hơi
aK: Nồng độ phần khối lượng của cấu tử trong hỗn hợp
Trang 13


ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ

Mi: Khối lượng phân tử của cấu tử trong hỗn hợp
Từ công thức trên ta có:
xF × MA

aFA =

0,14 × 58

=

xF × MA + (1 - xF ) × MB

0,14 × 58 + (1 - 0,14) × 18

= 0,34407

aFB = 1 – aFA = 1 – 0,34407 = 0,65593
aPA =

xP × MA
xP × MA + (1 - xP ) × MB

=

0,95 × 58
0,95 × 58 + (1 - 0,95) × 18

= 0,98393

aPB = 1 – aPB = 1 – 0,98393 = 0,01607
aWA =

x W × MA
xW × MA + (1 - xW ) × MB

0,0005 × 58

=

0,0005 × 58 + (1 - 0,0005) × 18

= 0,00161

aWB = 1 – aWA = 1 – 0,00161 = 0,99839
Từ (3) ta có:

GF
aP aW

=

GP
aF aW

=

GW
aP aF

 Lưu lượng khối lượng hỗn hợp sản phẩm đỉnh:

GP = G F ×

aF × aW
aP × aW

= 2500 ×

0,34407 × 0,00161
0,98393 × 0,00161

= 871,55595 (Kg/h)

 Lưu lượng khối lượng hỗn hợp sản phẩm đáy:
GW = GF – GP = 2500 – 871,55595 = 1628,44405 (Kg/h)
 Lưu lượng của từng cấu tử:
GFA = aFA × GF = 0,34407 × 2500 = 860,16949 (Kg/h)
GFB = aFB × GF = 0,65593 × 2500 = 1639,83051 (Kg/h)

Trang 14


ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ

GPA = aPA × GP = 0,98393 × 871,55595 = 857,54880 (Kg/h)
GPB = aPB × GP = 0,01607 × 871,55595 = 14,00715 (Kg/h)
GWA = aWA × GW = 0,00161 × 1628,44405 = 2,62069 (Kg/h)
GWB = aWB × GW = 0,99839 × 1628,44405 = 1625,82336 (Kg/h)
BẢNG CÂN BẰNG VẬT LIỆU TÍNH THEO LƯU LƯỢNG KHỐI LƯỢNG
Vị trí tính toán

Cấu tử A

Cấu tử B

Tổng

aF (phần khối lượng)

0,34407

0,65593

1

GF (kg/h)

860,16949

1.639,83051

2.500

aP (phần khối lượng)

0,98393

0,01607

1

GP(kg/h)

857,54880

14,00715

871,55595

aW (phần khối lượng)

0,00161

0,99839

1

GW (kg/h)

2,62069

1.625,82336

1.628,44405

1.2. Cân bằng vật liệu tính theo lưu lượng mol
 Tính cân bằng vật liệu theo lưu lượng khối lượng.

Ta có:

N=

G
Mhh

Với

Mhh = ∑ Mi

× xi

Gọi MF, MP, MW là khối lượng phân tử trung bình của hỗn hợp đầu, đỉnh, đáy tháp.
Ta có: Với

xA = xF và xB = 1 – xA
Mhh = MA × xA + MB × xB

Trang 15


ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ

Trong đó:
MF = MA × xF + MB × (1 – xF) = 58 × 0,14 + 18 × (1 – 0,14) = 23,6 (Kgmol/h)
MP = MA × xP + MB × (1 – xP) = 58 × 0,95 + 18 × (1 – 0,95) = 56 (Kgmol/h)
MW = MA × xW + MB × (1 – xW) = 58 × 0,0005 + 18 × (1 – 0,0005) = 18,02
(Kgmol/h)
 Lưu lượng phần mol của hỗn hợp đầu:
GF

NF =

MF

=

2500
23,6

= 105,93220 (Kmol/h)

 Lưu lượng phần mol của hỗn hợp sản phẩm đỉnh:
GP

NP =

MP

=

871,55595
56

= 15,15350 (Kmol/h)

 Lưu lượng phần mol của hỗn hợp sản phẩm đáy:

NW =

GW
MW

=

1628,44405
18,02

= 90,36870 (Kmol/h)

 Tính cân bằng vật liệu mol theo phương trình cân bằng vật liệu:
NFA = NF × xF = 105,93220 × 0,14 = 14,83051 (Kmol/h)
NFB = NF – NFA = 105,93220 – 14,8305 = 91,10169 (Kmol/h)
NPA = NP × xP = 15,15350 × 0,95 = 14,78532 (Kmol/h)
NPB = NP – NPA =15,15350 – 14,7853 = 0,77818 (Kmol/h)
NWA = NW × xW = 90,36870 × 0,005 = 0,04518 (Kmol/h)
NWB = NW – NWA = 90,36870 – 0,0452 = 90,32352 (Kmol/h)
Trang 16


ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ

BẢNG CÂN BẰNG VẬT LIỆU TÍNH THEO LƯU LƯỢNG MOL
Vị trí tính toán

Cấu tử A

Cấu tử B

Tổng

xF (phần mol)

0,14

0,8600

1

NF (kmol/h)

14,83051

91,10169

105,93220

xP (phần mol)

0,95

0,05

1

NP(kmol/h)

14,78532

0,77818

15,56350

xW (phần mol)

0,0005

0,9995

1

NW (kmol/h)

0,04518

90,32352

90,36870

1.3. Cân bằng vật liệu tính theo lưu lượng thể tích
Khối lượng riêng của các cấu tử A và B ở 25°C (Tra bảng I.2-ST-T1/10).
Nhiệt độ
20°C

25°C

40°C

A (CH3)2OH

791

785,25

768

B (H2O)

998

996,5

992

Cấu tử

Ta có:

Trong đó:

V=

G
ρhh

với ρF = ρA × aF + ρB × (1 – aF)

ρA Khối lượng riêng của Rượu etylic
ρB Khối lượng riêng của Nước

Trang 17


ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ

 Khối lượng riêng hỗn hợp đầu ( kg/m³ )
ρF = ρA × aF + ρB × (1 – aF)
= 785,25 × 0,34407 + 996,5 × (1 – 0,34407) = 923,81568
 Khối lượng riêng hỗn hợp sản phẩm đỉnh ( kg/m³ )

ρP = ρA × aP + ρB × (1 – aP)
= 785,25 × 0,98393 + 996,5 × (1 – 0,98393) = 788,64509
 Khối lượng riêng hỗn hợp sản phẩm đáy ( kg/m³ )
ρW = ρA × aW + ρB × (1 – aW)
= 785,25 × 0,00161 + 996,5 × (1 - 0,00161) = 996,16003
 Lưu lượng thể tích hỗn hợp đầu ( m³/h )
GFA

VFA =

VFB =

ρA
GFB
ρB

=

=

860,16949
785,25

= 1,09541 ( m³/h )

1639,83051
996,5

= 1,64559 ( m³/h )

 Lưu lượng thể tích hỗn hợp sản phẩm đỉnh ( m³/h )
GPA

VPA =

VPB =

ρA
GPB
ρB

=

=

857,54880
785,25
14,00715
996,5

= 1,09207 ( m³/h )

= 0,01406 ( m³/h )

 Lưu lượng thể tích hỗn hợp sản phẩm đáy ( m³/h )

VWA =

GWA
ρA

=

2,62069
785,25

= 0,00334 ( m³/h )

Trang 18


ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ

GWB

VWB =

ρB

=

1628,82336

= 1,63153 ( m³/h )

996,5

 Phần thể tích cho từng cấu tử (Phần thể tích)
VFA

vFA =

VF
VPA

vPA =

VP

vWA =

=

=

VWA
VW

1,09541
2,74100
1,09207
1,10613

=

= 0,39964

vFB =

= 0,98729

vFB =

0,00334
1,63487

= 0,00204

vFB =

VFB
VF
VPB
VP

=

=

VWB
VW

1,64559
2,74100
0,01406
1,10613

=

= 0,60036

= 0,01271

1,63153
1,63487

= 0,99796

BẢNG CÂN BẰNG VẬT LIỆU TÍNH THEO LƯU LƯỢNG THỂ TÍCH
Vị trí tính toán

A

B

Tổng

GF ( kg/h )

860,16949

1639,83051

2500

VF ( m3/h )

1,09541

1,64559

2,74100

vF (Phần thể tích)

0,39964

0,60036

1

GP ( kg/h )

857,54880

14,00715

871,55595

VP ( m3/h )

1,09207

0,01406

1,10613

vP (Phần thể tích)

0,98729

0,01271

1

GW ( kg/h )

2,62069

1625,82336

1628,44405

VW ( m3/h )

0,00334

1,63153

1,63487

vW (Phần thể tích)

0,00204

0,99796

1

Trang 19

ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ

1.4. Tổng hợp các số liệu vào bảng và thiết lập cân bằng toàn phần theo đơn vị
thời gian.
Lưu lượng hỗn hợp
Vị trí hỗn hợp
Lưu lượng hỗn hợp,

kg/mol/m3 tính trên
đơn vị thời gian.

G – Khối lượng, kg
GF

GP

GW

Giây (s)

0,69444

0,24210

0,45235

Giờ (h)

2.500

871,55595

1.628,44405

Ngày

60000

20917,343

39082,657

Tháng

1800000

627520,283

1172479,717

Năm

21600000

7530243,393

14069756,607

Lưu lượng hỗn hợp
Vị trí hỗn hợp

Lưu lượng hỗn hợp,
kmol/m3 tính trên
đơn vị thời gian.

N – Khối lượng mol, kmol/h
NF

NP

NW

Giây (s)

0,029426

0,004323

0,025102

Giờ (h)

105,93220

15,56350

90,36870

Ngày

2542,373

373,524

2168,849

Tháng

76271,186

11205,719

65065,467

Năm

915254,237

134468,632

780785,605

Trang 20


ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ

V – Thể tích, (m3)

Lưu lượng hỗn hợp
Vị trí hỗn hợp

Lưu lượng hỗn hợp,
m3/h tính trên đơn vị
thời gian.

VF

VP

VW

Giây (s)

0,000752

0,000307

0,000454

Giờ (h)

2,70617

1,10513

1,63472

Ngày

64,948

26,523

39,233

Tháng

1948,441

795,694

1176,999

Năm

23381,288

9548,330

14123,992

BẢNG CÂN BẰNG VẬT LIỆU TỔNG HỢP
Các thông số

Nguyên liệu đầu F

Sản phẩm đỉnh P

Sản phẩm đáy W

MA

58

MB

18

G, (kg/h)

2.500

871,55595

1.628,44405

ax, phần khối lượng

0,34407

0,98393

0,00161

M, (kg/mol)

23,60

56,00

18,02

N,(kmol)

105,93220

15,56350

90,36870

x, phần mol

0,14

0,95

0,0005

ρA, (kg/m³)

923,81568

788,64509

996,16003

V, ( m³/h )

2,70617

1,10513

1,63472

Trang 21


ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ

CHƯƠNG 2: XÁC ĐỊNH SỐ ĐĨA THỰC TẾ THEO PHƯƠNG
PHÁP ĐỒ THỊ
2.1. Đường cân bằng x–y và đồ thị t–x–y theo thực nghiệm.
Thành phần cân bằng lỏng (x) – hơi (y) tính bằng % mol và nhiệt độ sôi (ts) của hỗn
hợp hai cấu tử Axeton – Nước ở 760 mmHg.
t, oC 100,0

77,9

69,6

64,5

62,6

61,6

60,7

59,8

59,0

58,2

57,5

56,9

x, %
mol

0,0

5,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

60,0

70,0

80,0

90,0

100,0

y, %
mol

0,0

60,3

72,0

80,3

82,7

84,2

85,5

86,9

88,2

90,4

94,3

100,0

x,
phần 0,000 0,050 0,100 0,200 0,300 0,400 0,500 0,600 0,700 0,800 0,900
mol

1,000

y,
phần 0,000 0,603 0,720 0,800 0,827 0,842 0,855 0,869 0,882 0,904 0,943
mol

1,000

Dựa vào số liệu trên ta vẽ được đồ thị t – x – y do hệ số Axeton – Nước.
Do ta chọn trạng thái nhập liệu vào tháp chưng là trạng thái lỏng sôi nên đồ thị
(1), có xF, xP, xW ta nội suy ra được nhiệt độ tại đó.
xF = 0,14

xP = 0,0005

xW = 0,95

tF = 67,59oC

tP = 57,2oC

tW = 99,779oC

Với giá trị của xF, xP , xW ta kẻ đường song song với trục y và cắt đường cân
bằng, từ đó ta kẻ song song với trục x và cắt trục y ta xác định được giá trị của yF,
yP, yW.

Trang 22


ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ

xF = 0,14

xP = 0,95

xW = 0,0005

yF = 0,752

yP = 0,9715

yW = 0,00634

2.2. Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp và viết phương trình các đường làm việc
2.2.1. Xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu của tháp

Rxmin =

xP - ycbF
ycbF - xF

=

0,95-0,752
0,752-0,14

= 0,32353 (IX.24-ST-T2/158)

ycbF ta có được từ đồ thị x – y
2.2.2. Chỉ số hồi lưu thực tế
Rx = 1,3 × Rxmin + 0,3 = 1,3 × 0,32353 + 0,3 = 0,72059 (IX.25b-ST-T2/159)
2.2.3. Phương trình nồng độ làm việc của đoạn luyện

y=

Rx
Rx +1

×x+

xP
Rx +1

=

0,72059
0,72059+1

×x+

0,95
0,72059+1

= 0,4188x + 0,55214 (IX.20-ST-T2/144)
 Kiểm tra phương trình làm việc của đoạn luyện: y = f(x).
Phần mol
Vị trí
xLV

yLV

x=0

0

0,55214

x = xF

0,14

0,61077

x = xP

0,95

0,97150

Trang 23

ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ

2.2.4. Phương trình nồng độ làm việc của đoạn chưng

Tính y’ theo x’: y’ =

=

Rx +f
Rx +1

× x’ –

f–1
Rx +1

0,72059+6,80645
0,72059+1

× xW

× x’ –

6,80645–1
0,72059+1

× 0,0005

= 4,37469 x’ – 0,00169 (IX.22-ST-T2/158)

Với: f =

Tính x’ theo y’: x’ =

=

Rx +1
Rx +f

NF
NP

× y’ –

=

105,9322
15,5635

f-1
Rx +f

0,72059 +1
0,72059 + 6,80645

= 6,80645

× xW

× y’ +

6,80645 - 1
0,72059 + 6,80645

= 0,22859y’ – 0,00039 (IX.22-ST-T2/158)
 Kiểm tra phương trình của đoạn chưng y = f(x’).
Phần mol
Vị trí
x’LV

y’LV

x’ = 0

0

0,00169

x’ = xF

0,14

0,61077

x’ = xW

0,0005

0,0005

Trang 24


ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ

2.3. Xác định số đĩa lý thuyết
Dựa vào đồ thị x – y ta xác định được số địa lý thuyết của tháp:
-

Số đĩa lý thuyết của tháp là 13 đĩa

-

Số đĩa của đoạn luyện là 8 đĩa

-

Số đĩa của đoạn chưng là 5 đĩa

2.4. Xác định số đĩa thực tế
-

Số đĩa thực tế tính theo hiệu suất trung bình:

Ntt =
Với:

Nlt

(ST-T2/101)

Ntt: Số đĩa thực tế
Nlt: Số đĩa lý thuyết
: hiệu suất trung bình của đĩa

-

Độ bay hơi tương đối của hỗn hợp được xác định:

α=

y
1-y

×

1-x
x

-

Hiệu suất của đoạn luyện:

luyện

=

-

Hiệu suất của đoạn chưng:

chưng

=

Trong đó

1,

2,

3

1+

2

2
2+

3

2

là hiệu suất làm việc của đĩa trên cùng, đĩa tiếp liệu, đĩa dưới

cùng.

Trang 25