tài liệu tổng quan về chưng cất

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN

1. LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT
1.1. Khái niệm chưng cất
Chưng cất là quá trình phân tách hỗn hợp lỏng (hoặc khí lỏng)
thành các cấu tử riêng biệt dựa vào sự khác nhau về độ bay hơi của chúng
(hay nhiệt độ sôi khác nhau ở cùng áp suất), bằng cách lặp đi lặp lại nhiều
lần quá trình bay hơi - ngưng tụ, trong đó vật chất đi từ pha lỏng vào pha
hơi hoặc ngược lại. Khác với cô đặc, chưng cất là quá trình trong đó cả
dung môi và chất tan đều bay hơi, còn cô đặc là quá trình trong đó chỉ có
dung môi 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 hệ cấu
tử thì ta thu được 2 sản phẩm: sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm gồm cấu tử có
độ bay hơi lớn (nhiệt độ sôi nhỏ ), sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có
độ bay hơi bé (nhiệt độ sôi lớn). Đối với hệ Aceton- Nước sản phẩm đỉnh
chủ yếu gồm aceton và một ít nước, ngược lại sản phẩm đáy chủ yếu gồm
nước và aceton


1.2. Các phương pháp chưng cất
Các phương pháp chưng cất được phân loại theo:
Áp suất làm việc : chưng cất áp suất thấp, áp suất thường và áp
suất cao. Nguyên tắc của phương pháp này là 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 lý làm việc: liên tục, gián đoạn(chưng đơn giản) và liên
tục.
Chưng cất đơn giản (gián đoạn): phương pháp này đuợc sử dụng
trong các trường hợp sau:
+ Khi nhiệt độ sôi của các cấu tử khác xa nhau.

+ Không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao.
+ Tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi.
+ Tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử.
Chưng cất hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục) là
quá trình được thực hiện liên tục, nghịch dòng, nhiều đoạn.


Phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp: cấp nhiệt trực tiếp bằng hơi
nước: thường được áp dụng trong trường hợp chất được tách không tan
trong nước .
Vậy: đối với hệ Aceton- Nước ta chọn phương pháp chưng cất liên
tục cấp nhiệt gián tiếp bằng nồi đun ở áp suất thường.
1.3. Thiết bị chưng cất
Có nhiều loại tháp được sử dụng, nhưng đều phải có điểm chung cơ
bản là diện tích tiếp xúc bề mặt pha phải lớn, điều này phụ thuộc vào độ
phân tán của một lưu chất này vào lưu chất khác
Ta khảo sát hai loại tháp chưng cất thường dùng là tháp mâm và tháp
chêm:
- Tháp mâm gồm thân tháp hình trụ, thẳng đứng, phía trong có gắn
các mâm có cấu tạo khác nhau, trên đó pha lỏng và pha hơi được tiếp xúc
với nhau. Gồm có: mâm chóp, mâm xuyên lỗ, mâm van. Thường sử dụng
mâm chóp.
-Tháp chêm là loại tháp hình trụ, gồm nhiều đoạn nối với nhau
bằng mặt bích hay hàn. Vật chêm được đỗ đầy trong tháp theo một hay
hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự.
So sánh ưu và nhược điểm của các loại tháp:
Tháp chêm
- Đơn giản.
- Trở lực thấp.

Tháp mâm xuyên lỗ
Tháp mâm chóp
Ưu điểm:
- Hiệu suất tương đối cao. - Hiệu suất cao.
- Hoạt động khá ổn định. - Hoạt động ổn định.
- Làm việc với chất lỏng bẩn.
Nhược điểm: - Hiệu suất thấp. - Trở lực khá cao.
- Cấu tạo phức tạp.
- Yêu cầu lắp đặt khắt khe
- Độ ổn định kém.
- Trở lực lớn.
-> lắp đĩa thật phẳng.
- Không làm việc với
- Thiết bị nặng.
chất lỏng bẩn.
Nhận xét: tháp mâm chóp có hiệu suất cao nên ta chọn chưng cất bằng
tháp mâm chóp


Chưng luyện hệ Aceton –nước ta dùng tháp chóp hoạt động liên tục
ở áp suất thường, cấp nhiệt gián tiếp ở đáy tháp

2. Giới thiệu về nguyên liệu
2.1. Aceton
Acetone có công thức phân tử : CH 3COCH3. Khối lượng phân tử
bằng 58.079 đvC.
Là một chất lỏng không màu, dễ lưu động và dễ cháy, với một cách
êm dịu và có mùi thơm.
Nó hòa tan vô hạn trong nước và một số hợp chất hữu cơ như: eter,
metanol, etanol, diacetone alcohol...

Ứng dụng: Acetone được ứng dụng nhiều làm dung mội cho công
nghiệp, ví dụ cho vecni, sơn mài,cellose acetate, nhựa,cao su...Nó hòa tan tốt
tơ actate, nitroxenluloz, nhựa phênol focmande hyt, chất béo, dung môi pha
sơn, mực in ống đồng. Acetone là nguyên liệu để tổng hợp ceten, sumfonat
(thuốc ngủ), các holofom.
Được tìm thấy đầu tiên vào năm 1595 bởi Libavius, bằng chưng cất
khan đường, và đến năm 1805 Trommsdorff tiến hành sản xuất Acetone
bằng cách chưng cất Acetat của bồ tạt và soda: là một phân đoạn lỏng
nằm giữa phân đoạn rượu và eter.
Một số thông số vật lý và nhiệt động của Acetone :
• Nhiệt độ nóng chảy

: -94.6 oC

• Nhiệt độ sôi

: 56.1oC

• Tỷ trọng

:

• Nhiệt dung riêng Cp
102oC)

d420
:

22 Kcal/mol (chuẩn ở

• Độ nhớt μ

:

0.316 Cp (ở 250oC)

• Nhiệt trị

:

0.5176 cal/g (ở 20oC)

Tính chất hóa học :
Cộng hợp với natri bisunfit:
OH


CH3COCH3 + NaHSO3

1
→ CH3-C-SO3Na
1
CH3
(1-metyl-1-hydroxi etan sunfonat natri)

Cộng hợp axit HCN
OH
1
CH3COCH3 + HCN →CH3-C-CN
1

CH3
Acetone
đ,KMnO4,...

khó bị oxi hóa bởi thuốc thử pheling,Tôluen,HNO 3đ

Chỉ bị oxi hóa bởi hỗn hợp KMnO 4 +H2SO4,Sunfocromic K2Cr2O7 +
H2SO4...
Bị gãy mạch cácbon
Phản ứng khử hóa:
CH3COCH3 + H2 → CH3CHOHCH3
Điều chế:
Oxi hóa rượu bậc hai:
CH3CHOH-CH3 → CH3COCH3 + H2O
Theo phương pháp Piria: nhiệt phân muối canxi của axit
cacboxylic:
(CH3COO)2Ca → CH3COCH3 + CaCO3
2.1. Nước
Trong điều kiện bình thường: nước là chất lỏng không màu, không
mùi, không vị nhưng khối nước dày sẽ có màu xanh nhạt.
Khi hóa rắn nó có thể tồn tại ở 5 dạng tinh thể khác nhau.


Tính chất vật lý:
 Khối lượng phân tử : 18g/mol
 Khối lượng riêng d40C : 1g/ml
 Nhiệt độ nóng chảy : 00C
 Nhiệt độ sôi : 1000C
Nước là hợp chất có chiếm phần lớn trên trái đất (3/4 diện tích trái đất
là nước biển) và rất cần thiết cho sự sống.

Nước là dung môi phân cực mạnh, có khả năng hòa tan nhiều chất và là
dung môi rất quan trọng trong kỹ thuật hóa học.
1.3. Công nghệ chưng cất hỗn hợp Aceton-Nước
Acetone là một chất lỏng tan vô hạn trong nước và nhiệt độ sôi của
Acetone (56.10C ở 760 mmHg) và nước (100 0C ở 760mmHg): là khá cách
xa nhau nên phương pháp hiệu quả nhất để thu được Acetone tinh khiết là
chưng cất phân đoạn dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong
hỗn hợp
1.4. Sơ đồ quy trình công nghệ và thuyết minh quy trình công nghệ
Thuyết minh qui trình công nghệ:
Hỗn hợp Acetone – nước có nồng độ Acetone 30% ( theo phân
mol), nhiệt độ khoảng 250C tại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) và
(3) bơm lên bồn cao vị (4). Từ đó được đưa đến thiết bị gia nhiệt nhập
liệu (6). Sau đó, hỗn hợp được đun sôi đến nhiệt độ sôi trong thiết bị gia
nhiệt(6), hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất (7) ở đĩa nhập liệu, được
điều chỉnh bằng lưu lượng kế (5).
Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn luyện
của tháp chảy xuống. Trong tháp hơi đi từ dưới lên gặp chất lỏng 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 dưới càng giảm nồng độ các
cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi tạo nên từ nồi đun (12) lôi cuốn cấu tử
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 nước sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng
trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử Acetone chiếm nhiều nhất
(có nồng độ 98% phân mol). Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ (8) và được
ngưng tụ hoàn toàn. Một phần chất lỏng ngưng tụ đi qua thiết bị làm
nguội sản phẩm đỉnh (10), rồi được đưa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh (11).


Phần còn lại của chất lỏng ngưng tụ được hoàn lưu về tháp ở đĩa trên cùng

với tỉ số hoàn lưu tối ưu. Một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp được bốc
hơi, còn lại cấu tử có nhiệt độ sôi cao trong chất lỏng ngày càng tăng.
Cuối cùng, ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng hầu hết là các cấu tử khó
bay hơi ( nước). Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độ Acetone là 2 % phân
mol, còn lại là nước. Dung dịch lỏng đáy đi ra khỏi tháp vào nồi đun (12).
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 trao đổi nhiệt với
dòng nhập liệu trong thiết bị (7) (sau khi qua bồn cao vị).

Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là
Acetone , sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt với nhập liệu được
thải bỏ.
 Chú thích các kí hiệu trong qui trình:
1. Bồn chứa nguyên liệu.
2. Bơm
3. Bồn cao vị
4. Thiết bị đun sôi dòng nhập liệu
5. Bẩy hơi
6. Lưu lượng kế
7. Nhiệt kế
8. Tháp chưng cất
9. Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh.
10. Áp kế.


11. Thiết bị đun sôi đáy tháp
12. Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy
13. Bồn chứa sản phẩm đáy
14. Bộ phận chi dòng
15. Bồn chứa sản phẩm

CHƯƠNG 2: CÂN BẰNG VẬT CHẤT
2.1. Cân Bằng Vật Chất
Thông số ban đầu
- GF: lưu lượng khối lượng dòng nguyên liệu kg/h
- Gp: lưu lượng khối lượng dòng sản phẩm đỉnh kg/h
- Gw: lưu lượng khối lượng dòng sản phẩm đáy kg/h
- F: lưu lượng mol dòng nguyên liệu kmol/h
- P: lưu lượng mol dòng sản phẩm đỉnh kmol/h
- W: lưu lượng mol dòng sản phẩm đáy kmol/h
- aF: phần khối lượng cấu tử nhẹ trong dòng nguyên liệu % khối lượng
- ap: phần khối lượng cấu tử nhẹ trong dòng sản phẩm đỉnh % khối
lượng
- aw: phần khối lượng cấu tử nhẹ trong dòng sản phẩm đáy % khối
lượng
- xF: phần mol cấu tử nhẹ trong pha lỏng dòng nguyên liệu %mol
- xP: phần mol cấu tử nhẹ trong pha lỏng dòng sản phẩm đỉnh % mol
- xw: phần mol cấu tử nhẹ trong pha lỏng dòng sản phẩm đáy % mol
- yF: phần mol cấu tử nhẹ trong pha hơi dòng nguyên liệu % mol
- yP: phần mol cấu tử nhẹ trong pha hơi dòng sản phẩm đỉnh % mol
yw: phần mol cấu tử nhẹ trong pha hơi dòng sản phẩm đáy % mol
Kí hiệu:
A: cấu tử Aceton, MA = 58
B: nước, MB = 18
Năng suất nhập liệu GF =1500 Kg/h
Nồng độ dung dịch đầu : aF= 30%khối lượng Aceton/hỗn hợp
Nồng độ sản phẩm đỉnh : aP = 98%khối lượng Aceton/hỗn hợp
Phương trình cân bằng vật chất cho tháp chưng
F=P+W(1)

F * xF = P * x P + W * xW ( 2 )
 Chuyển phần khối lượng sang phần mol
Thành phần mol của Aceton trong hổn hợp đầu:
aF
M1
XF =
aF (1 − aF )
+
M1
M2 =

0.30
58
= 0.117
0.30 (1 − 0.30)
+
58
18
phân mol aceton


Thành phần mol của aceton trong ở sản phẩm đỉnh:
aP
M1
XP =
aP (1 − aP )
+
M1
M2 =

0.98
58
= 0.938
0.98 (1 − 0.98)
+
58
18
phần mol aceton

Thành phần mol của aceton ở sản phẩm đáy:
aw
0.02
M1
58
XW =
= 0.006
aw (1 − aw )
0
.
02
(1 − 0.02)
+
+
M1
M 2 = 58
18
phần mol Acetone

(chọn sản phẩm đáy có hàm lượng aceton là 2%)
- Tính phân tử lượng trung bình của hổn hợp theo công thức:

MK= xK* MA+ (1- xK) * MB
 Trong hổn hợp đầu:
M F = xF * M1 + (1- xF ) * M2
= 0.117 * 58 + (1 – 0.117 ) * 18
= 22.69 Kg/Kmol
 Trong sản phẩm đỉnh:
MP = xP* M1 + (1- xD ) * M2
= 0.938* 58 + (1 – 0.938) * 18
= 55.52 Kg/Kmol
 Trong sản phẩm đáy
M W = xW * M1 + (1- xW ) * M2
= 0.006 * 58 + (1 – 0.006 ) * 18
= 18.24 ( Kg/Kmol)
 Suất lượng sản phẩm đỉnh :
GF

1500

F= M =
= 66.09 ( Kmol/h )
22.69
F
Từ ( 1 ) và (2) ta có

⇔

Ta có:

F = P + W


F * x F = P * x P + W * x W
 P = 7.87( Kmol / h)

W = 58.21( Kmol / h)

GP= 436,94 (Kg/h)
Gw= 1061.75 Kg/h


Bảng cân bằng vật liệu của tháp chưng cất
Sản phẩm
F
P
W

x (phần mol)
0,1174
0,938
0,006

y (phần mol)
0,734
0,968
0,072

t0 điểm sôi
57.272
68.733
97.348

2.2. Tính thành phần mol cân bằng của các cấu tử dựa vào dữ liệu
cân bằng pha
Thành phần cân bằng lỏng hơi(x)-hơi(y) tính bằng phần % mol và
nhiệt độ sôi của hỗn hợp 2 cấu tử ở 760 mmHg

Y
T

0

5
60.
0
3
77.
100
9

10
72
69.
6

20
80.
3
64.
5

30

82.
7
62.
6

40
84.
2
61.
6

50
85.
5
60.
7

60
86.
9
59.
8

70
88.
2
59

80
90.

4
58.
2

90
94.
3
57.
5

ACETONE-NÖÔÙ
C
1
0.9

y =phaâ
n mol acetone trong pha hôi

X

0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0

0.2

0.4

0.6

0.8

x =phaâ
n mol acetone trong pha loû
ng

Acetone –Nước

1

100
100
56.9


Đồ thị t-x,y
2.3. Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp
2.3.1. Chỉ số hồi lưu tối thiểu:
Do nhập liệu ở trạng thái lỏng bão hòa, nên R min được xác định theo
công thức sau:
x P − y *F
Rmin = *
y F − xF

Với xF =0.117

⇒ Rmin = 0.331

y* = 0.734 (xác định từ đường cân bằng)

2.3.2 Chỉ số hồi lưu thích hợp:
Rx = b.Rxmin (CT IX.25, trang 158, [2]) với b là hệ số (1.2 ÷ 2.5)
Xác định Rx thích hợp theo số bậc thay đổi nồng độ được tiến hành
như sau: cho nhiều giá trị Rx lớn hơn giá trị Rxmin. Với mỗi giá trị trên, ta
xác định được tung độ của đường làm việc với trục tung B, với :
B=

xP
Rx + 1

Vẽ đường làm việc của đoạn luyện và đoạn chưng. Đường làm việc
của đoạn luyện qua điểm M(x, y) với x = y = xp và điểm B trên rục tung
đã được xác định. Đường làm việc của đoạn chưng qua điểm N (x, y) với
x = y = xW và cắt đường làm việc của đoạn luyện tại điểm có hoành độ x F.
Với mỗi đường làm việc, ta xác định được số bậc thay đổi nồng N L bằng
đồ thị x–y như sau:


Trên đồ thị x–y vẽ đường cân bằng, từ điểm M vẽ đường thẳng song song
với trục hoành cắt đường cân bằng tại một điểm, từ giao điểm này vẽ đường
thẳng song song với trục tung nó cắt đường cân bằng tại một điểm, cứ tiếp
tục như vậy cho đến khi tới điểm N. Đếm số bậc thay đổi nồng độ NL trên đồ
thị. Với mỗi bậc thay đổi nồng độ ứng với một ngăn của thiết bị gọi là số

ngăn lý thuyết.
Trong thực tế số ngăn của thiết bị lớn hơn số ngăn lý thuyết do điều
kiện chuyển khối chưa được tốt. Vì vậy số ngăn thực tế phải được điều chỉnh.
Dựa vào đồ thị xác định số bậc thay đổi nồng độ ta có kết quả sau :
2.5

B

1.3

1.5

1.7

1.9

2.1

2.3

RX

0.43

0.496

0.562

0.628

0.694

0.760

0.8265

B

0.656

0.627

0.6

0.576

0.553

0.533

0.513

NL

12.74

9.82

8.54

7.93

7.12

6.87

6.7

14.68

13.34

12.91

11.56

12.09

12.23

NL(RX+1) 18.21

Ta tính được chỉ số hồi lưu thích hợp dựa vào đồ thị sau:
Ta có chỉ số hồi lưu thích hợp:Rth=0.694
Phương trình làm việc đoạn chưng
y=

Rx
xP
x+

Rx + 1
Rx + 1

=0.409*x + 0.554

Phương trình đường làm việc đoạn luyện
y=
Với L =

L −1
Rx + L
xX
Rx + 1 W
Rx + 1

F
= 3.423
D

⇒ y = 2.43*x – 1.43

2.4 Xác định số đĩa lý thuyết và số đĩa thực tế:
2.4.1a. Xác định số đĩa lý thuyết:
Ta có chỉ số hồi lưu thích hợp:Rth=0.694

Từ đồ thị ta có số đĩa lý thuyết: Nlt=7 đĩa
Số đĩa lý thuyết phần luyện: 5đĩa
Phần chưng: 2 đĩa
2.4.2. Xác định số đĩa thực tế:

Số đĩa thực tế tính theo hiệu suất trung bình :
N tt =

N lt
η tb

Trong đó: ηtb : hiệu suất trung bình của đĩa, là một hàm số của độ
bay hơi tương đối và độ nhớt của hỗn hợp lỏng : η = f(α,µ).
Ntt : số đĩa thực tế.
Nlt : số đĩa lý thuyết.
• Xác định hiệu suất trung bình của tháp η tb :
+ Độ bay tương đối của cấu tử dễ bay hơi :
α=

y* 1 − x
.
1 − y* x

(CT: IX.61, trang171,[2]).

Với : x :phân mol của Acetone trong pha lỏng .
y* : phân mol của Acetone trong pha hơi cân bằng với pha lỏng.
Độ nhớt của hỗn hợp lỏng μ:tra theo nhiệt độ
tb

= (η1 + η2 + η3) /3

η1 ,η2,η3:lần lượt là hiệu suất ở mâm đỉnh,mâm nhập liệu,mâm đáy
Từ giản đồ x-y,t-x,y : tìm nhiệt độ tại các vị trí và nồng độ pha hơi

cân bằng với pha lỏng:
Tại vị trí đỉnh:
xP = 0.938ta tra đồ thị cân bằng của hệ :

y*P = 0.965

tP = 57.2720C
αp =

y* P 1 − x P
0.965 1 − 0.938
=
.
= 1.822
*
1 − 0.965 0.938
1− y P xP

Tra tài liệu tham khảo (bảng 1.101/91/[1]) và dùng phương pháp
nội suy ta tìm được độ nhớt của Acetone và nước tương ứng nhiệt độ t p =
57.272oC:
µaceton = 0.2169 103 Ns/m2
µnước = 0.4200 103 Ns/m2
lgµp= xp.lgµaceton + (1-xp)lgµnước

(CT: I.12,trang 84,[1])

= 0.938 lg(0.2343 103) + (1- 0.938)lg( 0.4908 103 )

= 2.389
Suy ra µp= 0.2453 103 Ns/m2
Suy ra : (µα)p= 1.822 * 0.2453*103 =446.93Ns/m2
⇒ η1 = 0.6 (Hình IX.11-Sổ tay tập 2)
Tại vị trí nhập liệu:
y*F = 0.734

xF = 0.117 ta tra đồ thị cân bằng của hệ :
tF = 68.733 oC
αF =

y* F 1 − x F
0.734 1 − 0.117
=
.
= 20.82
*
1 − 0.734 0.117
1− y F xF

Tra tài liệu tham khảo (bảng 1.101/91/[1]) và dùng phương pháp nội suy ta tìm
được độ nhớt của Acetone và nước tương ứng nhiệt độ tF = 68.733oC:
µaceton = 0.2169 103 Ns/m2
µnước = 0.4200 103 Ns/m2
lgµF= xF.lgµaceton + (1-xF)lgµnước

(CT: I.12,trang 84,[1])

=0.117 lg(0.2169 103) + (1- 0.117)lg( 0.4200 103 )
=2.589

Suy ra µF = 0.3881 103 Ns/m2
Suy ra : (µα)F = 20.82 * 0.3881*103 =8080.242 Ns/m2
Suy ra: η2 = 0.31 (Hình IX.11-Sổ tay tập 2)
Tại vị trí mâm đáy :
xW = 0.006 ta tra đồ thị cân bằng của hệ :

y*W = 0.072

tW = 97.348oC
αW =

y *W 1 − x W
0.072 1 − 0.006
=
.
= 12.85
*
1 − 0.072 0.006
1− y W xW

Tương tự ta có: µaceton = 0.1739*103 Ns/m2
µnước = 0.2936*103 Ns/m2
Suy ra µw= 0.2927*103 Ns/m2
Suy ra : (µα)w= 12.85 * 0.292.7*103=3.761*103Ns/m2
Suy ra: η3 = 0.35 (Hình IX.11-Sổ tay tập 2)


Suy ra hiệu suất trung bình của tháp:
= (η1 + η2 + η3) /3 = (0.34+0.31+0.59) /3 = 0.413
Vậy số đĩa thực tế Ntt = Nlt / η tb = 7/ 0.413 = 16.95đĩa

tb

⇒ Ta lấy số đĩa thực tế: Ntt = 17đĩa

Trong đó
Số đĩa thực tế của đoạn luyện: NL = 2 / 0.413= 4.84 chọn 5 đĩa
Số đĩa thực tế của đoạn chưng: Nc = 5 / 0.413= 12.11chọn 12 đĩa


CHƯƠNG 3. CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG
Mục đích của việc tính toán cân bằng nhiệt lượng là để xác định
lượng hơi đốt cần thiết khi đun nóng hỗn hợp đầu, đun bốc hơi ở đáy tháp
cũng như xác định lượng nước làm lạnh cần thiết cho quá trình ngưng tụ
làm lạnh.
Chọn nước làm chất tải nhiệt vì nó là nguồn nhiên liệu rẻ tiền, phổ
biến trong thiên nhiên và có khả năng đáp ứng yêu cầu công nghệ.
Sơ đồ:
Qy

H2O
H2O

QR
H2O

QF
Qxq2

Qxq1

QD1

H2O

QD2

Qf

Qng1

QW

QP

Qng2

Các ký hiệu:
QD1: Nhiệt độ do hơi đốt mang vào thiết bị đun nóng, J/h
Qf : Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào thiết bị đun nóng, J/h
QF : Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra khỏi thiết bị đun nóng
hay mang vào tháp chưng luyện, J/h
Qng1: Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra khỏi thiết bị đun nóng,
J/h
Qxq1: Nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh, J/h
QD2: Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào cần đun nóng sản phẩm đáy,
J/h
QR: Nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào, J/h
Qy: Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp, J/h
QW: Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra khỏi tháp, J/h

Qng2: Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra khỏi tháp, J/h
Qxq2: Nhiệt lượng do mất mát ra môi trường xung quanh, J/h

3.1. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng
Phương trình cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng
QD1 + Qf = QF + Qng1 + Qmxq1

(CT IX.149, 196, [2])

3.1.1.nhiệt lượng do hơi đốt mang vào
QD1 = D1λ1 = D1(r1 + θ1C1) J/h (CT IX.150, 196, [2])
Với:
D1: lượng hơi đốt mang vào, kg/h
λ1: hàm nhiệt của hơi nước, J/kg
r1: ẩn nhiệt hóa hơi của hơi nước, J/kg
θ1: nhiệt độ của nước ngưng
C1: nhiệt dung riêng của nước ngưng, J/kg độ.
3.1.2.nhiệt lượng do nước ngưng mang ra
Qng1 = Gng1C1θ1 (J/h).

(CT IX.153, 197, [2])

Với: Gng1: lượng nước ngưng (lấy bằng lượng hơi đốt), kg/h.
3.1.3.nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào
Qf = FtfCf

(J/h)

(CT IX.151, 196, [2])

tf: nhiệt độ hỗn hợp đầu 0C, chọn tf = 250C ở nhiệt độ tf = 250C
Cf: nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu , J/kg. độ

Cf20 = CAcetonaF + Cnước(1 – aF)
CAceton,Cnước tra Bảng (I.153, 171, [1])
Caceton= 2195 J/kgđộ
Cnước = 4178.75 J/kgđộ
Cf25 = 2195*0.3 + 4178.75*(1-0.3) = 3583.625 J/kgđộ
 Qf=1500*25*3583.625=134.386 *106 (J/h)


3.1.4 nhiệt lượng do hn hợp đầu mang ra
QF = FtFCF (J/h) (CT IX.152, 196, [2])
tF: nhiệt độ điểm sôi của hỗn hợp đầu tF=68.7330C
CF: nhiệt dung riêng của hỡn hợp khi ra khỏi thiêt bị đung nóng (J/kgđộ)
• ở nhiệt độ sôi tF = 68.7330C
CF68.733 = CAceton ∗ aF + Cnước ∗ (1- aF)
CAceton = 2333.38 J/kgđộ
Cnước = 4190 J/kg độ
CF68.733 = 2333.38 * 0.3 + 4190 * (1-0.3)= 3633.014 J/kg độ
 QF=1500*68.733*3633.014 =374.561*106 (J/h)
3.1.5. nhiệt lưọng mất mát ra môi trường xung quanh
Qxq1=5%(QD1-Qng1)=5%D1*r1 ,J/kg (IX.154/Trang 196.II)
 như vậy lượng hơi nước cần thiết để đun nóng hổ hợp đầu đến
nhiệt độ sôi :
D1 =

QF − Q f
0.95 * r1

=

F * (C F * t F − C f * t f )
0.95 * r1

(CT IX.155, 197, [2]

Ta chọn hơi nước bão hòa đun sôi ở áp suất p =2at, t0 = 119.60C
Suy ra r1 = 2208*103 J/kg (Bảng I.251, 314, [1])
D1 =

374561926 − 134385937.5
= 114.5 (kg/h)
0.95 ∗ 2264 * 10 3

3.2. Cân bằng nhiệt lượng cho toàn tháp
QD2 + QF + QR = QY + QW + Qng2 + Qxq2

(CT IX.157, 197, [2])

3.2.1. Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào tháp
QF = FCFtF = 1500* 3633.014 * 68.733 =374.561*106 (J/h)
3.2.2. Nhiệt lượng do hơi nước mang vào đáy tháp
QD2 = D2λ2 = D2(r2 + θ2C2)


Với: D2: lượng hơi nước bão hoà cần thiết để đun sôi dung dịch đáy
tháp, kg/h
λ2: hàm nhiệt của hơi nước bão hòa, J/kg

r2: ẩn nhiệt hóa hơi của hơi nước, J.kg
θ2: nhiệt độ của nước ngưng,0C
C2: nhiệt dung riêng của nước ngưng, J/kg độ
3.2.3. Nhiệt lượng lỏng hồi lưu mang vào
QRx = GRCRtR = PRRCRtR (CT IX.158, 197, [2])
tx = tp = 57.2720C
Cx57.272: nhiệt dung riêng hỗn hợp sau khi ngưng tụ sản phẩm đỉnh
J/kg độ
Cx57.272 được tính theo công thức sau:
CR57.272 = CAcetonap + Cnước(1 - ap)
CAceton,Cnước: tra (Bảng I.153, 171, [1]) ở 57.2720C.
CAceton57.272 = 2296.134 ( J/kg độ )
Cnước57.272 = 4187.954 ( J/kg độ )
Do đó: CR57.272=2296.134 * 0.98 + 4187.954* (1-0.98) =2333.970 J/kg độ
 QRx = 436.94 * 0.645*2333.970* 57.272 = 376.720*106 J/h
3.2.4. Nhiệt lượng do hơi mang ra
Qy = Gyλhh = P(Rx + 1)λhh

(CT IX.159, 197, [2])

Nhiệt độ hơi tại đỉnh tháp 57.2720C
λhh: nhiệt lượng riêng của hỗn hợp hơi ở đỉnh tháp
λhh = λ1aP + (1 - aP)λ2 = rP + CP57.272tP
λ1: hàm nhiệt của nước ở 57.2720C
λ2: hàm nhiệt của Aceton ở 57.2720C
CP57.272: nhiệt dung riêng của hỗn hợp ra khỏi tháp ở nhiệt độ
57.2720C.
CP57.272 = CR57.272 =2333.970 J/kg độ
rP57.272: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp ở nhiệt độ 57.2720C

rP57.272 = aP.rAceton57.272 + (1 - aP).rnước57.272
rAceton57.272, rnước57.272: (Bảng I-213, 254 , I )
rAceton57.272 = 521.447*103 J/kg
rnước57.272 = 2425.585*103 J/kg
Suy ra: rP57.272 = 0.98 * 521.447 *103 + (1-0.98) * 2425.585*103
= 559.529*103 (J/kg)
Suy ra: λhh = rP57.272 + CP57.272.tP
= 559.529*103 + 2333.970*57.272=693.2*103 J/kg
Vậy:
Qy = P.(Rx + 1).λhh = 436.94*(0.694 + 1)*693.2*103 = 513.09*106 J/h
3.2.5. Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra:
QW = W.CW.tW

(J/h)

(CT IX.160, 197, [2])

CW: được xác định theo công thức:
CW 97.348 = CAceton97.348aW + Cnước97.348 (1 – aW)
CAceton,Cnước: tra (Bảng I.153, 171, [1]) Tại t= 97.348 0C
CAceton97.348 =2426J/kgđộ
Cnước97.348 = 4224.69 J/kgđộ
Suy ra: CW = 2426 *0.02 + 4224.69*(1- 0.02) =4188.716 J/kgđộ.
 QW = 1061.75 * 4188.716* 97.348 = 423.942*106. J/h
3.2.6. Nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh
Qxq2 = 0.05*D2*r2 (J/h)

(CT IX.162, 198, [2])

3.2.7. Nhiệt lượng do nước ngưng tụ mang ra
Qng2 = Gng2*C2*θ2 = D2*C2*θ2

(CT IX.161, 198, [2])

Với:
Gng2: lượng nước ngưng tụ bằng lượng hơi cần thiết để đun sôi dung
dịch đáy tháp, kg/h
C2, θ2: nhiệt dung riêng (J/kgđộ) và nhiệt độ của nước ngưng (0C)


Như vậy lượng hơi nước bão hoà cần thiết để đun sôi dung
dịch đáy tháp:
D2 =

QY + Qw − Q F − Q Rx 513.09 * 10 6 + 423.942 * 10 6 − 374.561 * 10 6 − 376.720 * 10 6
=
0.95.r2
0.95 * 2208 * 10 3

=88.077kg/ h

(CT IX.163, 198, [2])

- Ta chọn áp suất hơi nước bão hòa đun sôi ở áp suất khí quyển:
p=2at ,t0 = 119.60C, suy ra r2 = 2208.103 J/kg (Bảng I.125, 314,
[1])
• Lượng nhiệt tiêu tốn môi trường xung quanh:
Qm2 = 0.05*D2*r2
= 0.05*7946.299*2264*103 = 899.521*106 J/h

3.3. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ
Sử dụng thiết bị hồi lưu:
P.(Rx.+1)r = Gn1.Cn.(t2 – t1) (CT IX.164, 198, [2])
Với:
r: ẩn nhiệt ngưng tụ ở đỉnh tháp, r = rp = 521.447*103 J/kg
t1, t2: nhiệt độ vào và ra của nước làm lạnh
Chọn nhiệt độ t1 = 250C, t2 = 400C
⇒

t tb =

t1+ t 2 25 + 40
=
= 32.5 0C
2
2

Cn: nhiệt dung riêng của nước ở ttb = 32.50C. (Bảng I.147, 165, [1])
Cn =0.99866 cal/kg.độ = 4181 J/kgđộ
Lượng nước lạnh tiêu thụ cần thiết Gn1:
G n1 =

P.( R x .+1)r

C n1.(t 2 − t 1)

=

1500*(0.694 +1)*521.447 *10 3
4181∗ (40 − 25)

= 8787.86 kg/h

4. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm lạnh
P.C’p.(t1’- t2’) = Gnl2.Cn.(t2 – t1)

(CT IX.166, 198, [2])

t1' + t '2
=
Với: t tb
t 2 − t1
'

t1’, t2’: nhiệt độ đầu và cuối của sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ, 0C.
Chọn nhiệt độ: t1’ = 57.2720C, t2’ = 300C.


Tra (Bảng I.153, 171, [1]), và nội suy ta được:
CNước57.272 = 4187.954 (J/kgđộ).
CAceton57.272 = 2296.134 (J/kgđộ).
CP’: nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh đi làm lạnh.
CR57.272 =2333.970 J/kg độ
t1, t2: nhiệt độ vào ra của nước lạnh, 0C
Chọn nhiệt độ t1 = 250C, t2 = 400C
Cn = 4181 J/kgđộ
Lượng nước lạnh tiêu tốn:
G n2 =

P.*C 'p .(t 1' − t '2)

C n.(t 2 − t 1)

=

436.94*2333.970*(57.272−30)
=
4181*(40−25)

443.468 kg/h

Vậy tổng lượng nước dùng trong ngưng tụ và làm lạnh sản phẩm đỉnh là:
Gn = Gn1 + Gn2 =443.468+ 6033.245=6476.7133 kg/h


CHƯƠNG 4. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH
4.1. Đường kính tháp
D=

4 * Vtb
(m) (CT IX- 89, 181 [2])
π ∗ 3600 ∗ ω tb

= 0.0188

g tb
( ρ y ω y ) tb

Vtb: lượng hơi trung bình đi trong tháp

(m2/h)

ω tb: vận tốc hơi trung bình đi trong tháp (m/s)

4.1.1. Đường kính đoạn luyện :
 .Lưu lượng hơi trung bình trong đoạn luyện:
gtb =

g đ + g1
2

(CT IX.91, 181, [2])

gđ: lượng hơi ra khỏi tháp ở đĩa trên cùng

(kg/h)

g1: lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện

(kg/h)

Áp dụng phương trình cân bằng vật liệu, nhiệt lượng cho đĩa thứ
nhất của đoạn luyện:
g1 = G1 + Gp

(CT IX.93, 182, [2])

g1y1 = G1x1 + Gpxp

(CT IX.94, 182, [2])

g1r1 = gđrđ

(CT IX.95, 182, [2])

(1)

Với: y1: hàm lượng hơi của đĩa thứ nhất đoạn luyện
x1: hàm lượng lỏng ở đĩa thứ nhất đoạn uyện
Trong các phương trình trên ta xem x1 = aF
r1, rđ: ẩn nhiệt hóa hơi hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất và đi ra khỏi tháp
Ta có: Gp = 436.94 kg/h
Gw = 1061.75 kg/h
x1 = aF = 0.3phần khối lượng
gđ = GR + GP = Gp.(Rx + 1)
=436.94 ∗ (1 + 0.694) =740.176 kg/h (CT IX.92,181, [2])


* Tính r1 : t1 = tF = 68.733oC , tra tài liệu tham khảo (Bảng I.212, 254, [1])
Ẩn nhiệt hóa hơi của nước : rNước =121.598 Kcal/kg
Ẩn nhiệt hóa hơi của Acetone : raceton= 570.267 Kcal/kg
Suy ra : r1 = raceton.y1 + (1-y1).rnước =121.598+448.67*y1 Kcal/kg
* Tính rđ : tP = 57.272oC , tra tài liệu tham khảo (bảng I.212,254,tập1 )
ta có :
Ẩn nhiệt hóa hơi của nước : rN =124.546 Kcal/kg .
Ẩn nhiệt hóa hơi của Acetone : rA =579.341 Kcal/kg .
Yp = 0.965 (phần khối lượng)
Suy ra : rđ = raceton.yP + (1-yP).rNđ =579.341*0.965 + (1-0.965)*124.546
=563.423Kcal/kg
* x1 = aF = 0.98 (phần khối lượng)
g1 = G1 + 436.94


⇒ g1 * y1 = G1 * 0.3 + 436.94 * 0.938
g * r = 740.176 * 563.423
 1 1

Giải hệ (1) , ta có:

G1 = 1191.73kg/h
y1 = 0.47 phần khối lượng
g1 = 1628.67 Kg/h

= 0.47(phần khối lượng Acetone ) = 0.325(phần mol Acetone )

y1

Vậy : gtb =

740.176 + 1628.67
= 1184 .423 (Kg/h)
2

 Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp Vận tốc hơi trung bình:
( ρ y .ω ) tb = 0.065ϕσ hρ x ρ y
2

kg/m .s

Trong đó:
: vận tốc hơi, m/s

(CT IX.105,184, [2])

ϕ σ : hệ số tính sức căng bề mặt, lấy bằng 1 khi sức căng bề mặt >0,2

kg/m
h: khoảng cách giữa các đĩa, m