Bài tập lớn môn truyền khối: Tính đường kính và chiều cao tháp đệm chưng cất

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
₪₪

®

₪₪

BÀI TẬP LỚN
Đề bài: Tính đường kính và chiều cao tháp đệm chưng cất

Học viên thực hiện
MSHV

: Nguyễn Văn Tú
: 51305919

GVHD

: PGS.TS Trịnh Văn Dũng

TPHCM, tháng 5/2014


MỤC LỤC

MỞ ĐẦU

Các quá trình và thiết bị truyền khối là một trong những nội dung cơ bản của
môn học “Các quá trình, thiết bị trong công nghệ hóa chất và thực phẩm”. Nội dung
đề cập đến các quá trình xảy ra dưới tác dụng của nhiệt như: chưng cất, hấp thụ, trích

ly, sấy….
Trong nội dung này thì quá trình chưng cất là một nội dung lớn và căn bản, có
khối lương kiến thức lớn và tính toán phức tạp.
Quá trình chưng cất được chia làm 2 phần: chưng và cất. Ở từng phần có cách
tính toán tương đối khác nhau trên cơ sở suất lượng dòng khí và dòng lỏng đi trong
tháp.
Một trong những bài toán cơ bản của quá trình chưng cất là dựa trên những giá
trị cho trước về lượng sản phẩm và nồng độ các pha, tính toán đường kính và chiều
cao của tháp chưng cất.
2


Trong phạm vi của bài tập này sẽ giải quyết vấn đề tính đường kính và chiều
cao của đoạn cất tháp đệm trên cơ sở số liệu ban đầu của đoạn cất sau đây:
Hơi (% kh.l) Lỏng (% kh.l)

h (m)

D

Hệ

Benzen - Axit axetic

Vào

Ra

Vào

Ra

x

y

54.3

98.0

35.7

98.0

0.45

0.32

4500

Phần I
CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1. Thiết lập cân bằng vật chất cho đoạn cất
G.y = L.x + D.xD
Suy ra:

Giả sử lưu lượng theo mol trong tháp
không đổi, nên có:
G = G1 = (R + 1). D

L = Lo = R.D
Suy ra:
3


Đây là phương trình làm việc
của đoạn cất.

- Phương trình làm việc là đường thẳng.

- Nếu R → ∞ thì y → x.

- Đường thẳng đi qua điểm I1 (xD, xD) và
I2 (0, ).

- Hệ số góc tgα = → 1 khi R → ∞, tức hồi lưu hoàn toàn.
2. Tính đường kính và chiều cao của tháp đệm

* Đường kính tháp được tính theo công thức:
Ø =
với w là vận tốc của pha khí ứng với điểm sặc theo phương trình sau:
= ,75
ứng với tháp đệm chưng cất: C = - 0,125

* Chiều cao tháp đệm:
H = hoy.noy
với

noy =

và

hoy = = hy +

với A =
4


Phần II
TÍNH TOÁN CỤ THỂ

1. Thiết lập đường làm việc của đoạn cất, tìm chỉ số hồi lưu R, suất lượng
lỏng L và suất lượng khí G
Với hệ benzen - axit axetic, nhiệt độ sôi của hai cấu tử lần lượt là 80,2 0C
(benzen) và 118,70C (đối với axit axetic), do đó cấu tử thu được trên đỉnh tháp là
benzen, ở đáy tháp là axit axetic.
Biến đổi nồng độ của cấu tử dễ bay hơi benzen sang nồng độ phần mol, ta có
bảng số liệu sau:
Đầu

Vào

Ra

x

0.2993

0.9742

y

0.4775

0.9742

Phần mol

Lượng benzen thu được
D (kmol/h)
= 57,692

5


Đường làm việc của đoạn cất (phụ lục 1):
y = 0.7359x + 0.2573
Mặt khác, ta có đường làm việc ứng với đoạn cất có dạng:

Nên ta có hệ phương trình:

Giải hệ phương trình, ta tìm được các giá trị:
R = 2,786 và xD = 0,9742
Suy ra: Lưu lượng theo pha lỏng và pha khí đi trong đoạn cất là:
G = (R+1)D = (2,786+1).57,692 = 218,422 (kmol/h).
L = Lo = RD = 2,786.57,692 = 160,73 (kmol/h).

2. Tính vận tốc pha khí trong tháp

Đối với tháp đệm, ta sử dụng phương trình:

= (-0,125) ,75

(1)

Chọn loại đệm bằng sứ 50 x 50 x 5 có các thông số sau (sổ tay tập 2):
ε = 0,79 (m3/m3) và a = 95 (m2/m3).

Tra sổ tay tập 1, với các số liệu lấy ở nhiệt độ 80 0C và coi không đổi với giá trị
độ nhớt và khối lượng riêng của dòng lỏng,

6


Dòng lỏng đi trong đoạn cất có hàm lượng 98% benzen, ta có thể coi khối
lượng riêng và độ nhớt của dòng lỏng đi vào đoạn cất là khối lượng riêng và độ nhớt
của benzen: ρL = 815 (kg/m3) và µL = 0,316 (cP).

Khối lượng riêng của dòng khí ở 800C và áp suất 760 mmHg theo công thức:
(kg/m3)
Thay các giá trị đã có vào phương trình (1), ta có
ws = 1,5 (m/s)
Chọn w = 0,8ws = 0,8.1,5 = 1,2 (m/s).
3. Tính đường kính tháp đệm chưng cất

Đường kính của tháp đệm được tính theo công thức:
Ø

4. Tính số đơn vị truyền khối của tháp đệm chưng cất

Tra sổ tay tập 2, ta có bảng số liệu cân bằng lỏng - hơi của hệ benzen - axit

axetic như sau:
x

0

0.05

0.1

0.2

y

0

0.26 0.42 0.59

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.666 0.75 0.79 0.83 0.88

0.8

0.92
5

0.9

1

0.97

1

Vẽ đường cân bằng và đường làm việc trên cùng hệ tọa độ (phụ lục 2).
Phương trình đường cân bằng như sau:
y* = -23.06x6 + 78.009x5 - 105.44x4 + 73.293x3 - 28.173x2 + 6.3705x + 0.0012

7


Sử dụng phương pháp tích phân đồ thị, ta chia đoạn từ x F đến xD thành nhiều
điểm và lập được bảng sau:
x

0.2993

y

0.478

y*

0.674

5.093

0.35

0.4

0.45

0.5

0.55

0.6

0.65

0.7

0.51

0.55

0.58

0.62

0.66

0.69

0.73

0.77

5

2

8

5

2

9

6

2

0.70

0.73

0.76

0.79

0.81

0.83

0.85

0.87

7

8

6

2

6

8

7

7

5.20

5.37

5.63

5.98

6.49

7.20

8.20

0

9

2

6

1

8

7

0.974

0.75

0.8

0.85

0.9

0.809

0.846

0.883

0.920

0.974

0.898

0.922

0.948

0.974

1.001

9.55

11.25

13.22

15.38

18.23

37.17

2

3

7

9

9

0

2

Vẽ đồ thị = f(y), ta có phương trình hàm số tương ứng (phụ lục 3):
= 99379y6 - 412018y5 + 704488y4 - 635600y3 + 319087y2 - 84508y + 9229.6

Suy ra, số đơn vị truyền khối:
noy =
=

noy = 5,428

5. Tính chiều cao đơn vị truyền khối và chiều cao phần cất tháp đệm

Chiều cao đơn vị truyền khối được tính theo công thức:

hoy = = hy +

với A =

* Tìm hệ số góc đường cân bằng m
Chia đoạn cong trên đường cân bằng y* = f(x) từ điểm (0,3; 0,666) đến điểm
(1; 1) thành các đoạn nhỏ và coi các đường nối các điểm trong đoạn này là đường
thẳng theo số liệu cho ở bảng sau:
x

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1
8


y*

0.666

0.75

0.79

0.83

0.88

0.925

0.97

1

Xây dựng phương trình đường thẳng và hệ số góc cho mỗi đoạn (phụ lục 4).
Hệ số góc đường cân bằng được tính theo hệ số góc trung bình như sau:

Thừa số truyền khối A được tính:
A=
Chiều cao đơn vị truyền khối được tính:
hoy = hy + (m)
Chiều cao phần cất của tháp đệm với các điều kiện đã chọn như trên là:
H = hoy.noy = 0,612.5.428 = 3,322 (m).

9


Phần III

KẾT LUẬN

Với các điều kiện cho trước tính toán đối với đoạn cất, đường kính và chiều cao
đoạn cất tháp đệm chưng cất là:
Đường kính Ø
Và chiều cao H = 3,3 (m)

10


PHỤ LỤC

Phụ lục 1. Đồ thị đường làm việc của đoạn cất

Phụ lục 2. Đồ thị đường làm việc và đường cân bằng

Phụ lục 3. Đồ thị = f(y)

Phụ lục 4. Phương trình đường thẳng và hệ số góc tương ứng để xác định hệ số
góc m
x

0.3

0.4

0.4

0.5

0.5

0.6

y*

0.666

0.75

0.75

0.79

0.79

0.83

11


Đường
thẳng
Hệ số góc
m

y = 0.84x + 0.414

y = 0.4x + 0.59

y = 0.4x + 0.59

0.84

0.4

0.4

x

0.6

0.7

0.7

0.8

0.8

0.9

0.9

1

y*

0.83

0.88

0.88

0.925

0.925

0.97

0.97

1

Đường
thẳng
Hệ số góc
mi

y = 0.5x + 0.53

y = 0.45x +
0.565

y = 0.45x +
0.565

y = 0.3x + 0.7

0.5

0.45

0.45

0.3

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Trịnh Văn Dũng, Quá trình và thiết bị công nghệ hóa học và thực phẩm (Bài tập
truyền khối), NXB ĐHQG TPHCM, 2012.
2. Nguyễn Bin, Các quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa chất và thực phẩm (Tập
4: Phân riêng dưới tác dụng của nhiệt), NXB Khoa học và Kỹ thuật.
3. Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất, Tập 1 và 2, NXB Khoa học và Kỹ
thuật.

12