đồ án chưng cất clorofom cacbontetraclorua

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM
KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

ĐỒ ÁN
THỰC HÀNH QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ HÓA HỌC
ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ CHƯNG CẤT HỖN HỢP
CLOROFOM - CACBONTETRACLORUA
Giáo viên hướng dẫn:

ThS. Võ Thanh Hưởng

Sinh viên thực hiện:

Dương Hữu Hiệu

MSSV:

14134441

Lớp:

DHHO10D

TP.HCM, tháng 10 năm 2017


TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc





NHIỆM VỤ BÀI TẬP LỚN
MÔN THỰC HÀNH QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ HÓA HỌC
Họ và tên sinh viên: Dương Hữu Hiệu

MSSV: 14134441

Ngành: Công nghệ Hóa học

Lớp: DHHO10D

Họ tên Giảng viên hướng dẫn: ThS. Võ Thanh Hưởng
1. Tên đề tài: Thiết kế hệ thống chưng cất liên tục để chưng cất hỗn hợp clorofom –
cacbontetraclorua.
2. Số liệu ban đầu:
• Năng suất: 1,8 (tấn/h)
• Nồng độ nhập liệu: 15 (% mol)
• Nồng độ sản phẩm đỉnh: 85 (% mol)
• Nồng độ sản phẩm đáy: 4 (% mol)
• Sử dụng hơi nước bão hòa để cung cấp nhiệt (Áp suất tự chọn, độ ẩm 5%)
• Loại tháp: Tự chọn

3. Nội dung thực hiện:
• Mở đầu
• Chọn và thuyết minh quy trình công nghệ
• Tính cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng
• Tính toán công nghệ thiết bị chính
• Tính và chọn thiết bị phụ
• Kết luận
• Tài liệu tham khảo
• Phụ lục (nếu có)
4. Bản vẽ
1 sơ đồ quy trình công nghệ (khổ giấy A1)
1-2 bản vẽ lắp thiết bị chính (khổ giấy A1)
5. Ngày giao nhiệm vụ: 06/9/2017
6. Ngày nộp đồ án: 10/12/2017
2


TP.HCM, ngày 06 tháng 9 năm 2017
TRƯỞNG BỘ MÔN

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Trần Hoài Đức

Võ Thanh Hưởng

3


LỜI CẢM ƠN

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sự tri ân sâu sắc đối với các thầy cô Khoa
Công Nghệ Hóa Học trường Đại học Công Nghiệp TpHCM, đặc biệt là Giáo viên hướng
dẫn ThS. Võ Thanh Hưởng đã tạo điều kiện cho em tìm hiểu và hoàn thành báo cáo đồ án
môn Thực hành Các quá trình và thiết bị trong Công nghệ Hóa học.
Trong quá trình thiết kế đồ án, cũng như là trong quá trình làm bài báo cáo, em cũng
đã cố gắng rất nhiều nhưng khó tránh khỏi sai sót, rất mong các thầy, cô bỏ qua. Đồng
thời do trình độ lý luận cũng như kinh nghiệm thực tiễn còn hạn chế nên bài báo cáo
không thể tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được ý kiến đóng góp thầy, cô
để em học thêm được nhiều kinh nghiệm và sẽ hoàn thành tốt hơn bài báo cáo tốt nghiệp
sắp tới.
Em xin chân thành cảm ơn!

4


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
Phần đánh giá:
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................

TP.HCM, ngày… tháng… năm 2017
Giáo viên hướng dẫn

Võ Thanh Hưởng

5


MỤC LỤC

6


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 cloroforme – carbontetraclorua là hệ 2 cấu tử tan lẫn vào nhau, ta chọn phương pháp
chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho cloroforme.
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.
Qua bài đồ án chúng ta sẽ nghiên cứu và tính toán để thiết kế thiết bị mâm chóp để

chưng cất hỗn hợp Cloroforme – Carbontetraclorua ở áp suất thường với năng suất 1,8
tấn/h.

7


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
1. LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT
1.1. Khái niệm
Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của hỗn hợp lỏng cũng như của hỗn
hợp khí lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử
trong hỗn hợp. Thay vì đưa vào trong hỗn hợp một pha mới để tạo nên sự tiếp xúc giữa 2
pha như trong quá trình hấp thu hoặc nhả khí, trong quá trình chưng cất pha mới tạo nên
bằng sự bốc hơi hoặc ngưng tụ.
Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường 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 cấu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt độ sôi nhỏ). Sản phẩm đáy chủ yếu
gồm cấu tử có độ bay hơi nhỏ (nhiệt độ sôi lớn). Đối với hệ cloroforme –
cacbontetraclorua. Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cloroforme và một ít cacbontetraclorua.
Sản phẩm đáy chủ yếu là cacbontetraclorua và một ít cloroforme.
1.2. Phương pháp chưng cất
-

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.
Nguyên lý 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 cloroforme – carbontetraclorua, ta chọn phương pháp chưng cất
liên tục ở áp suất thường.
1.3. Thiết bị chưng cất
Trong sản xuất, 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.

8


− 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 được 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.
Bảng I.1: So sánh ưu nhược điểm của các loại tháp
Tháp chêm
Ưu điểm

Tháp mâm xuyên lỗ

Tháp mâm chóp

Cấu tạo khá đơn giản.

Trở lực tương đối thấp.

Khá ổn định.

Trở lực thấp.

Hiệu suất khá cao.

Hiệu suất cao.

Nhược

Độ ổn định không cao, Không làm việc được

Có trở lực lớn.

điểm

khó vận hành.

với chất lỏng bẩn.

Tiêu tốn nhiều vật tư,

Thiết bị khá nặng nề.

Kết cấu khá phức tạp.

kết cấu phức tạp.

Vậy: Qua phân tích trên ta sử dụng tháp mâm chóp để chưng cất hệ cloroforme –
carbontetraclorua .

2. GIỚI THIỆU VỀ NGUYÊN LIỆU
2.1. Cloroforme

Hình I.1: Cloroforme
Clorofom hay còn gọi là triclorometan và metyl triclorua và một hợp chất hoá
học thuộc nhóm trihalometan có công thức CHCl3. Nó không cháy trong không khí, trừ
khi tạo thành hỗn hợp với các chất dễ bắt cháy hơn. Clorofom còn là một chất độc với
môi trường.
9


Bảng I.2: Các tính chất vật lý của cloroforme
Khối lượng phân tử:

119,5g/mol

Tỷ trọng:

1,48g/cm3

Điểm sôi:

61,2 0C

Độ hòa tan trong nước:

8g/1 lít nước ở 200C

2.2. Cacbontetraclorua

Hình I.2: Cacbon tetraclorua
Cacbon tetraclorua hay tetraclorua cacbon là một hợp chất hóa học có công thức
hóa học CCl4. Người ta sử dụng chủ yếu hợp chất này làm chất phản ứng trong tổng hợp
hữu cơ. Đây là một chất lỏng không màu có mùi "thơm".Theo danh pháp IUPAC, hợp
chất này có hai tên gồm cacbon tetraclorua và tetraclometan. Người ta còn gọi nó một
cách thông tục là "cacbon tet".
Bảng I.3: Các thông số vật lý của Cacbon tetraclorua
Khối lượng phân tử:

154 g/mol

Tỷ trọng:

1,58 g/cm3 (lỏng)

Điểm sôi:

76,72 0C

Độ hòa tan trong nước:

800 mg/l ở 25 0C

3. ĐIỀU CHẾ
3.1. Cloroforme

10


Trong công nghiệp, người ta điều chế clorofom bằng đốt nóng hỗn
hợp clo và clometan hay metan. Ở nhiệt độ 400 - 500 °C, phản ứng halogen hóa gốc tự
do diễn ra, chuyển metan hay clometan dần dần thành các hợp chất clo hóa.
CH4 + Cl2 → CH3Cl + HCl
CH3Cl + Cl2 → CH2Cl2 + HCl
CH2Cl2 + Cl2 → CHCl3 + HCl
Tiếp tục phản ứng clo hóa, clorofom chuyển thành CCl4:
CHCl3 + Cl2 → CCl4 + HCl
Hỗn hợp sản phẩm sau phản ứng gồm 4 chất: clometan, diclometan, clorofom
(triclometan) và cacbon tetraclorua, chúng tách ra qua quá trình chưng cất.
3.2. Cacbontetraclorua
Hiện nay chủ yếu được tổng hợp từ metan: CH4 + 4Cl2 → CCl4 + 4HCl
Việc sản xuất nó thường tận dụng các phụ phẩm của các phản ứng clo hóa khác,
chẳng hạn như tổng hợp diclorometan và cloroform. Các clorocacbon cao hơn cũng có
thể dùng để "phân hủy bằng clo": C2Cl6 + Cl2 → 2CCl4
Trước thập niên 1950, cacbon tetraclorua được sản xuất bằng clo hóa cacbon
disulfua ở 105-130 °C: CS2 + 3Cl2 → CCl4 + S2Cl2
Bảng I.4: Thành phần lỏng (x) – hơi (y) hỗn hợp cloroforme – cacbontetraclorua
x (phân mol)

0

10

20

30

40

50

60

y (phân mol)

0

13,5

26,5

39,5

52,0

63,5

72,5

t (oC)

76,8

74,7

72,6

70,6

68,6

66,9

65,3

70
81,
0
63,
9

Hình I.3: Hệ Cloroforme – Cacbontetra clorua

11

80
88,5

62,6

90
95,
0
61,
5

100
100

60,8


CHƯƠNG II: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
Hỗn hợp Cloroforme – Carbontetraclorua có nồng độ Cloroforme là 15% (phần
mol), 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(4). 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 (5).
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.Càng lên trên nhiệt độ càng thấp, nên khi hơi đi qua các đĩa từ dưới lên
thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao là carbontetraclorua sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh
tháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử cloroforme chiếm nhiều nhất (nồng độ 85% 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 (Carbontetraclorua). Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độ
Carbontetracloruae là 96% phần khối lượng, còn lại là Cloroforme. 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(12) sau đó vào

bồn chứa sản phẩm đáy(13).

12


SÔ ÑOÀQUY TRÌNH COÂNG NGHEÄ
7
3

5
14

8
6

4
P

9
T

10
T P

P

11
13

2

1

12

14

thi?t b?gia nhi?t

13

Thi?t b? làm ngu?i s?n ph?m dáy

12

B?n ch?a s?n ph?m dáy

11

B?y hoi

10

Thi?t b? dun sôi dáy tháp

1
? ng l?ng ?ng

1
1
2

? ng chùm

1
1

9

B?n ch?a s?n ph?m dáy

8

Thi?t b? làm ngu?i s?n ph?m d?nh

? ng l?ng ?ng

1

7

Thi?t b? ngung t?

? ng chùm

1

6

Tháp chung c?t

5

Luu lu?ng k?

4
3

Thi?t b? gia nhi?t nh?p li?u

2
? ng chùm

B?n cao v?

2

Bom

1

B?n ch?a nguyên li?u

STT

1

Tên g?i

1
1

Ly tâm

2

Ð?c tính k? thu?t

S? lu?ng

1
GHI CHÚ

TRU? NG Ð?I H? C CÔNG NGHI?P TPHCM
KHOA MÁY THI?T B?
Ð? ÁN MÔN H? C QUÁ TRÌNH VÀ THI?T B?:

THI?T K? THÁP MÂM CHÓP CHUNG C?T H? HAI CÂU T?
CACBONTETRACLORUA - CLOROFORME
Ngu?i v?
GVHD

Hình II.1: Quy trình công nghệ

13

Bùi Ng?c Tho

b?n v? :
QUY TRÌNH CÔNG NGH?

t?l?
BV s? : 2


CHƯƠNG III: CÂN BẰNG VẬT CHẤT
1. CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU
Chọn loại tháp là tháp mâm chóp.
Khi chưng luyện hỗn hợp Cloroforme – Carbontetraclorua thì cấu tử dễ bay hơi là
Cloroforme
Hỗn hợp
-

Năng suất: 1,8 (tấn/h)
Nồng độ nhập liệu: 15 (% mol)
Nồng độ sản phẩm đỉnh: 85 (% mol)
Nồng độ sản phẩm đáy: 4 (% mol)
Sử dụng hơi nước bão hòa để cung cấp nhiệt (Áp suất tự chọn, độ ẩm 5%)
Chọn:
• Nhiệt độ nhập liệu: tF = 740C (gia nhiệt từ 300C lên 740C).
• Nhiệt độ sản phẩm đáy: tW = 770C (làm nguội từ 770C xuống 300C).
• Nhiệt độ sản phẩm đỉnh: tP = 620C (làm nguội từ 620C xuống 300C).

2. TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SUẤT LƯỢNG CẦN THIẾT
Năng suất = 1,8 tấn/h = 1800 kg/h

Phương trình cân bằng vật chất:

Ta có:





14


Bảng III.1: Các giá trị tính toán

F = 12,095 kmol/h

P = 1,643 kmol/h

W = 10,452 kmol/h

3. XÁC ĐỊNH CHỈ SỐ HOÀN LƯU THÍCH HỢP
Chỉ số hoàn lưu tối thiểu: Tỉ số hoàn lưu tối thiểu là chế độ làm việc mà tại đó ứng
với số mâm lý thuyết là vô cực. Do đó, chi phí cố định là vô cực nhưng chi phí điều hành
(nhiên liệu, nước bơm, năng lượng, vật liệu…) là tối thiểu.

Hình III.1: Cân bằng pha của hệ 2 cấu tử Cloroforme - Cacbontetraclorua
Dựa vào đồ thị trên: với =>
Chỉ số hoàn lưu tối thiểu:
Tỉ số hoàn lưu làm việc theo công thức kinh nghiệm R = b.R min
Với b = (1,2 – 2,5) nên 15,6 < R < 32,5’
Với các giá trị Ri > Rmin ta tìm được các giá trị tung độ Bi tương ứng:

Vẽ các đường làm việc của đoạn luyện ứng với các giá trị B i đó. Từ đó qua đồ thị ta
tìm được các giá trị Ni tương ứng. Từ các giá trị N i tìm được ta thành lập các giá trị tương
ứng Ni(Ri + 1).
Bảng III.2: Các giá trị vẽ số mâm lý thuyết

b

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

2,2

2,4

2,5

Ri

15,6

18,2

20,8

23,4

26

28,6

31,2

32,5

Bi

0,051

0,044

0,039

0,035

0,031

0,029

0,026

0,025

Ni

33

28

27

25

24

24

22

20

15


Ni(Ri +1)

547,8

537,6

588,6

585,6

648

680,8

708,4

703,5

Thiết lập mối quan hệ phụ thuộc giữa Ri và Ni(Ri + 1) trên đồ thị. Điểm cực tiểu của
đường cong vẽ được cho ta giá trị thiết bị bé nhất và ứng với điểm đó ta xác định được
chỉ số hồi lưu thích hợp là Rlt
Từ đồ thị bên dưới ta xác định được chỉ số hồi lưu thích hợp là Rlt = 18,2
Hình III.2: Đồ thị quan hệ giữa thể tích thiết bị và chỉ số hồi lưu
Từ đồ thị bên ta xác định được chỉ số hồi lưu thích hợp là Rlt = 18,2.

4. PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LÀM VIỆC VÀ SỐ MÂM LÝ THUYẾT
4.1. Phương trình đường làm việc đoạn cất

Vậy phương trình đường cất: y = 0,95x + 0,044
4.2. Phương trình đường làm việc đoạn chưng

Với . Vậy phương trình đường chưng: y = 1,33x + 0,013
4.3. Số mâm lý thuyết
Dựng đường làm việc của tháp bao gồm đường làm việc phần cất và phần chưng.
Trên đồ thị y – x ta lần lượt vẽ các đường bật thang từ đó xác định được số mâm lý thuyết
lấy tròn là 28 mâm
Từ đồ thị, ta có 28 mâm bao gồm

5. XÁC ĐỊNH SỐ MÂM THỰC TẾ
Có nhiều phương pháp xác định số mâm thực của tháp, ta có thể xác định số mâm
thực dựa vào hiệu suất trung bình: Nt = Nlt/ηtb
Trong trường hợp này ta tính: ηtb =
Từ bảng số liệu và thực hiện phép nội suy ta tìm được độ nhớt của Cloroforme và
Cacbontetraclorua ở nhiệt độ và nồng độ tương ứng:
16

Bảng III.3: Độ nhớt của hỗn hợp
Độ nhớt (cP)

Đỉnh tháp

Nhập liệu

Đáy tháp

0,384

0,347

0,341

0,577

0,505

0,494

 Độ nhớt của hỗn hợp được tính theo công thức I.12 trang 84 [1]

Trong đó: : nồng độ mol của cloroforme và cacbontetraclorua
: độ nhớt động lực của cloroforme và cacbontetraclorua
− Độ nhớt sản phẩm đỉnh:

=>

− Độ nhớt nhập liệu:

=>
− Độ nhớt sản phẩm đáy:

=>
 Độ bay hơi tương đối được tính theo công thức:
Trong đó x,y là nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng và pha hơi
− Độ bay hơi tương đối của sản phẩm đỉnh:
− Độ bay hơi tương đối của dòng nhập liệu:
− Độ bay hơi tương đối của sản phẩm đáy:
Hiệu suất trung bình là hàm số trung bình của độ bay hơi tương đối của hỗn hợp và
độ nhớt của hỗn hợp lỏng: ηtb =
17


Ta có: => ηP = 0,52
=> ηP = 0,51
=> ηP = 0,56
ηtb =
Suy ra số mâm thực tế: ηtb mâm

18


CHƯƠNG IV: CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
1. CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG CHO THIẾT BỊ NGƯNG TỤ
: nhiệt lượng ngưng tụ (kW)
Với
Ở 620C ẩn nhiệt hóa hơi của CHCl3 = 247,6 KJ/kg; CCl4 = 201,9 KJ/kg

Do đó 204,84.239,146.(18,2+1) = 940544 KJ/h = 261,26 KJ/s

2. CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG CHO THIẾT BỊ GIA NHIỆT DÒNG
NHẬP LIỆU ĐẾN NHIỆT ĐỘ SÔI

Nhiệt độ đầu trước khi vào gia nhiệt là 300C; sau khi qua thiết bị gia nhiệt dòng
nhập liệu là 74 0C. Nhiệt dung riêng của dòng nhập liệu tra ở nhiệt độ trung bình
Tại nhiệt độ này thì bảng I.153 tr171[1]

Nếu coi tổn thất trên đường nhập liệu là 5% thì

3. CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG CHO THIẾT BỊ LÀM NGUỘI SẢN
PHẨM ĐÁY

Từ 760C xuống 300C, nhiệt độ trung bình của hệ: tra bảng I.153 tr 171[1] tại nhiệt
độ này thì

19


4. CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG CHO THIẾT BỊ LÀM NGUỘI SẢN
PHẨM ĐỈNH

Nhiệt độ từ 620C xuống 300C, nhiệt độ trung bình của hệ: tại nhiệt độ này nội suy
các giá trị nhiệt dung riêng ở bảng I.153 tr 171[1] thì

5. NHIỆT LƯỢNG CUNG CẤP CHO ĐÁY THÁP
Từ cân bằng nhiệt lượng ta có:

Với : là lượng nhiệt tổn thất, ta lấy khoảng 5 % tổng lượng nhiệt có ích cung cấp
cho đáy tháp

20


CHƯƠNG V: TÍNH TOÁN THÁP CHƯNG CẤT

1. ĐƯỜNG KÍNH ĐOẠN CẤT
1.1. Lượng hơi trung bình đi trong tháp đoạn cất

− Xác định gP:
− Xác định g1 từ hệ phương trình:
• Tính r1: t1 = tF = 74 0C, tra bảng I.212, tr 254 [1] ta có:
Ẩn nhiệt hóa hơi của Cloroforme: rCloroforme = 241,6 KJ/kg.
Ẩn nhiệt hóa hơi của Carbontetraclorua: rCarbontetraclorua =195,9 KJ/kg.
Suy ra: r1 = rCHCl3.y1 + (1-y1).rCCl4 = 45,7y1+ 196,6
• Tính rP: tP =620C, tra bảng I.212 trang 254 [1] ta có:
Ẩn nhiệt hóa hơi của Cloroforme: rCloroforme = 246,6KJ/kg.
Ẩn nhiệt hóa hơi của Carbontetraclorua: rCarbontetraclorua = 200,9 KJ/kg.
xP = 0,85 tra theo đường cân bằng yP = 0.917
Nên:
Suy ra:
 x1 = xF = 0,12 (theo phần khối lượng)
Giải hệ trên ta được :

1.2. Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp
Vận tốc hơi đi trong tháp ở đoạn cất:
h: khoảng cách mâm (chọn h = 0,3 ứng với 0,6 21

• Xaùc ñònh ρ ytb: theo công thức- IX.102 tr 183[2]
Với: Nồng độ phần mol trung bình:
Nhiệt độ trung bình đoạn cất:
Suy ra : ρytb = 4,87 kg/m3.
• Xác định ρ xtb: Nồng độ phần mol trung bình:
Suy ra:
ttb = 68 oC, tra bảng I.2, trang 9[1], ta có:

Công thức tính: => ρxtb = 1453 kg/m3
• Xác định

ϕ [σ ]

: hệ số tính đến sức căng bề mặt

Với: (số liệu tra từ bảng I.242 trang 300 [1]) Ta có:

σ hh
Ta thấy

< 20 theo [2] – tr184 chọn

ϕ [σ ]

= 0,8

Tốc độ hơi trung bình trong đoạn cất:

2. ĐƯỜNG KÍNH ĐOẠN CHƯNG
2.1. Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng

Xác định g’n: gn’ = g1= kg/h
Xác định g’1 : từ hệ phương trình:
Tính r1’ : trong đó y’1=y*w (tra theo đường cân bằng) xw = 0,04(phần mol) tra đồ thị cân
bằng của hệ ta có : y*w =0,055( phần mol) = 0,043 (phần kl).
t’1 = tw =760C, tra bảng - I.212 trang 254 [1] ta có:
Ẩn nhiệt hóa hơi của Cloroforme : rCloroforme = 234,29 KJ/kg.
22


Ẩn nhiệt hóa hơi của Carbontetraclorua : rCarbontetraclorua =188,63 KJ/kg.
Suy ra : r’1 = rCHCl3. + (1- ).rCCl4 = 234,29
Dựa vào phương trình của phần cất

g1.r1 = g d .rd
ta tính được r1 :203,47

Thay vào hệ phương trình trên ta tìm được
= 0,0393 phần kl= 0,05 phần mol
Vận tốc hơi đi trong tháp ở đoạn chưng:
h: khoảng cách mâm (chọn h = 0,3 ứng với 0,6 Xác định ρytb:
Với :Nồng độ phần mol trung bình :
Nhiệt độ trung bình đoạn cất : . Suy ra: ρytb = 5,25 kg/m3.
Xác định ρxtb: =>
ttb = 75 0C, tra bảng I.2, trang 9, [1], ta có:

=> ρxtb = 1466,5 kg/m3

Xác định

ϕ [σ ]

: hệ số tính đến sức căng bề mặt

Ta có:
Với: =19,67.10-3 N/m, = 20,2.10-3 N/m (số liệu tra từ bảng I.242 trang 300 [1])
Ta thấy< 20 theo [2] – tr184 chọn

ϕ [σ ]

= 0,8

Tốc độ khí đi trọng đoạn chưng:
Kết luận: Do đường kính đoạn chưng và đoạn cất không chênh lệch nhau lớn nên ta chọn
Dt =1 m. Khi đó tốc độ hơi ở chế độ làm việc thực là:
23


+ Phần cất :
+ Phần chưng :
2.2. Chiều cao tháp chưng cất
H = Nt(Hđ + δ) + (0,8 ÷ 1), m (công thức IX.54 -Tr.169[2])
H = 53.(0,3 +0,004 ) + 1 = 17,112 m lấy tròn là H = 18 m

3. TRỞ LỰC THÁP CHÓP
Trở lực tháp chóp được xác định theo công thức: [2]-tr 192

∆Pd

Trong đó Ntt – số mân thực tế của tháp;

∆Pk
Trở lực của đĩa khô :

=

: tổng trở lực của một đĩa, N/m2 [2] - tr 192

ρ y .w 2 0
ξ
2

Tính vận tốc khí qua rãnh chóp: sổ tay tập 2 tr 238
Vận tốc khí đi trong tháp là: wtb = 0,5.(wcất + w chưng) = 0,5.(0,42 + 0,44) = 0,43 m/s
• Diện tích của các đường kính ống hơi trên 1 mâm
-

Gồm 10 chóp và mỗi ống hơi có đường kính là dh = 0,1 m.

-

Có 10 chóp trên mỗi mâm vậy cũng có 10 ống hơi.

Tháp có đường kính 1 m:
Chóp loại chóp tròn có 7 khe vậy có 7 khoảng trống giữa 7 khe mỗi khe dài 4mm
Vậy ctổng = 7.4 = 28mm.
Ta có chu vi của 1 chóp với đường kính 0,1 m: Cchóp = .d = 3,14.0,1 = 0,314 m
Vậy chiều dài của 1 chóp là: .
Vậy vận tốc hơi đi qua 1 rãnh (chữ nhật) của chóp là:

Suy ra:
Trở lực do sức căng bề mặt , N/m2 :
24


Khi rãnh chóp mở hoàn toàn:

fx
Ở đây

fx
- diện tích tiết diện tự do của rãnh.

= a.b = 4.17,5 = 70mm2 với a,b là bề

rộng và chiều cao của rãnh chóp, mm. chu vi rãnh chóp,
Suy ra: dtđ =
Vậy , với
10,4.10-3 N/m,

σ

là sức căng bề mặt trung bình của phần chưng và phần cất

σ
chưng

σ
cất

=

= 9.9.10-3 N/m,

suy ra:

∆Pt
Trở lực của chất lỏng trên đĩa

ρb
+ Khối lượng riêng bọt

, N/m2 (trở lực thủy tĩnh):

ρx
= 0,5

3

= 0,5.1459,75 = 729,875 kg/m , với

ρx
- khối lượng

riêng trung bình pha lỏng phần chưng và phần cất,
+ 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 = 17,5mm
Suy ra:
Tổng trở lực của 1 đĩa:

Trở lực của toàn tháp:

25