đồ án quá trình thiết bị

Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Học

GVHD: ThS Phan Thanh Sơn

MỞ ĐẦU
Trong nền công nghiệp hóa chất, thực phẩm và các ngành công nghiệp khác
hiện nay, vấn đề tách các chất ra khỏi nguyên liệu, thu hồi và làm tinh khiết sản phẩm
chính, giảm thiểu các chất gây ô nhiễm trong nước và khí thải ngày càng được quan
tâm. Để đạt được những mục đích này, người ta sử dụng các quá trình phân riêng khác
nhau như hấp thụ, chưng cất…Trong đó quá trình chưng cất được sử dụng rất rộng rãi
để làm tinh khiết sản phẩm.
Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kĩ thuật, việc tạo ra những thiết
bị hiện đại nhằm nâng cao năng suất trong sản xuất không chỉ là nhiệm vụ của những
kĩ sư công nghệ hóa học, mà còn của những sinh viên đang theo học ngành này.
Vì lí do đó, môn “Đồ án Quá trình và Thiết bị” với đề tài “Thiết kế hệ thống
chưng cất hỗn hợp Isopropylic-nước bằng tháp đĩa” như là bước đầu tiên để sinh viên
làm quen với việc thiết kế cho những quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa học.
Đề tài này bao gồm có những nội dung chính sau:
 Chương 1: Tổng quan về sản phẩm và công nghệ
 Chương 2: Tính công nghệ thiết bị chính
 Chương 3: Tính kết cấu công nghệ thiết bị chính
 Chương 4: Tính thiết bị phụ
Đồ án này được hoàn thành là nhờ vào sự giúp đỡ tận tình của thầy Phan Thanh
Sơn. Qua đây em cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong khoa Hóa, các bạn
trong lớp 13H5 và các anh chị khóa trên đã nhiệt tình góp ý và giúp đỡ.
Em đã cố gắng rất nhiều trong việc thực hiện đồ án này, tuy nhiên với kiến thức
còn hạn chế nên chắc chắn không thể nào tránh được những thiếu sót. Vì vậy rất
mong được sự góp ý của thầy cô trong khoa Hóa để em có thêm kinh nghiệm cho các
đồ án tiếp theo.
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Đức Tuấn Ngọc

SVTH: Nguyễn Đức Tuấn Ngọc Lớp: 13H5

Trang 1


Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Học

GVHD: ThS Phan Thanh Sơn

Contents
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM VÀ CÔNG NGHỆ...............................4
A.ĐỀ TÀI.................................................................................................................. 4
B.SƠ LƯỢC VỀ ISOPROPYLIC VÀ NƯỚC..........................................................4
I. Isopropylic.........................................................................................................4
II.Nước.................................................................................................................. 6
C.QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT.................................................................................7
I.Khái niệm về chưng cất......................................................................................7
II.Một số phương pháp chưng cất..........................................................................7
III.THIẾT BỊ CHƯNG CẤT.................................................................................8
IV.SƠ ĐỒ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ.............................................................11
1.Sơ đồ dây chuyền.............................................................................................11
2.Thuyết minh dây chuyền..................................................................................11
CHƯƠNG II: TÍNH CÔNG NGHỆ THIẾT BỊ CHÍNH.............................................13
A.CÂN BẰNG VẬT LIỆU, NHIỆT LƯỢNG.....................................................13
I.CÂN BẰNG VẬT LIỆU.................................................................................13
II.CÂN BẰNG NHIỆT.......................................................................................23
I.ĐƯỜNG KÍNH THÁP ĐĨA:.............................................................................30
II.CHIỀU CAO THÁP CHƯNG LUYỆN:..........................................................37
CHƯƠNG III: TÍNH KẾT CẤU CÔNG NGHỆ THIẾT BỊ CHÍNH..........................38

A.TÍNH VÀ CHỌN ĐĨA VÀ KIỂM TRA TRỞ LỰC............................................38
I.TÍNH VÀ CHỌN ĐĨA......................................................................................38
II.KIỂM TRA TRỞ LỰC....................................................................................43
B.TÍNH CƠ KHÍ THIẾT BỊ CHÍNH......................................................................48
I.Chọn vật liệu:....................................................................................................48
II.Tính bề dày tháp:.............................................................................................48
III.TÍNH ĐÁY VÀ NẮP THIẾT BỊ....................................................................51
IV.TÍNH BỀ DÀY LỚP CÁCH NHIỆT..............................................................52
V.TÍNH ĐƯỜNG KÍNH ỐNG DẪN..................................................................54
VI.MẶT BÍCH....................................................................................................57
SVTH: Nguyễn Đức Tuấn Ngọc Lớp: 13H5

Trang 2


Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Học

GVHD: ThS Phan Thanh Sơn

VII.CỬA NỐI ỐNG DẪN VỚI THIẾT BỊ.........................................................58
VIII.CHÂN ĐỠ VÀ TAI TREO THIẾT BỊ.........................................................59
CHƯƠNG IV: TÍNH THIẾT BỊ PHỤ.........................................................................63
I.TÍNH THIẾT BỊ ĐUN SÔI HỖN HỢP ĐẦU.......................................................63
1.Diễn biến của quá trình:...................................................................................63
2.Tính lượng nhiệt trung bình truyền qua một đơn vị bề mặt truyền nhiệt..........64
II.TÍNH BỀ MẶT TRUYỀN NHIỆT......................................................................67
III.TÍNH VÀ CHỌN BƠM.....................................................................................68
1.Tính năng suất thể tích bơm:............................................................................68
2.Tính áp suất toàn phần của bơm:......................................................................69
3.Công suất của bơm và động cơ điện:................................................................73

PHỤ LỤC...................................................................................................................75
I.CÁC ĐỒ THỊ BIỂU DIỄN SỐ BẠC THAY ĐỔI NỒNG ĐỘ ỨNG VỚI CÁC
GIÁ TRỊ b KHÁC NHAU..........................................................................................75
II. ĐỒ THỊ XÁC ĐỊNH HIỆU SUẤT ĐĨA TRUNG BÌNH....................................79
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................80
KẾT LUẬN................................................................................................................. 81

SVTH: Nguyễn Đức Tuấn Ngọc Lớp: 13H5

Trang 3


Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Học

GVHD: ThS Phan Thanh Sơn

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM VÀ CÔNG NGHỆ
A.ĐỀ TÀI
Tính toán và thiết kế hệ thống thiết bị chưng luyện liên tục để phân riêng hỗn
hợp Isopropylic-nước bằng tháp đĩa:
-

Năng suất theo hỗn hợp đầu: 58 000 kg/ngày.
Nồng độ khối lượng của hỗn hợp đầu và sản phẩm đỉnh và đáy tương ứng là:
aF = 34%, aP = 87%, aW = 5%.
Tháp chưng cất làm việc ở áp suất thường.

B.SƠ LƯỢC VỀ ISOPROPYLIC VÀ NƯỚC
I. Isopropylic
1.Tính chất vật lý, hóa học

Isopropylic còn được gọi là Iso-propanol hay Iso-propyl alcohol, là chất hữu cơ
có công thức phân tử là (CH3)2CHOH. Isopropylic là chất lỏng dễ cháy, không màu,
có mùi thơm giống rượu và là trường hợp đơn giản nhất của ancol bậc 2. Isopropylic
tan vô hạn trong nước và được làm dung môi cho sơn và cho các quá trình công
nghiệp. Đặc biệt Isopropylic được dùng phổ biến cho các ứng dụng dược phẩm do độc
tính của các cặn còn lại thấp. Một phần được sử dụng làm hóa chất trung gian.
Isopropylic có thể chuyển ngược thành acetone tuy nhiên quy trình cumene vẫn quan
trọng hơn trong việc sản xuất acetone. Ngoài ra nó cũng được sử dụng để làm phụ gia
cho xăng.

 Tính chất vật lý
Isopropylic có nhiệt độ sôi ở 82,5oC, khối lượng phân tử 60.1 g/mol, tỉ trọng
0.786 g/cm3, nhiệt độ đông đặc ở -89oC, độ nhớt ở 25oC là 1.96 cP và có áp suất hơi là
2.4 kP.

 Tính chất hóa học
Isopropylic có thể được oxy hóa để tạo xeton. Điều này có thể đạt được bằng
phản ứng với CuO hoặc O2 có xúc tác là Cu:
(CH3)2CHOH + CuO  (CH3)2CO + Cu + H2O

SVTH: Nguyễn Đức Tuấn Ngọc Lớp: 13H5

Trang 4


Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Học

GVHD: ThS Phan Thanh Sơn

Isopropylic cũng có thể chuyển đổi sang 2-bromepropane sử dụng tribromide

photpho hay mất nước để tạo thành propene bằng cách nung nóng với axit sunfuric:
o

H2SO4 ,170 C
(CH3)2CHOH ������ CH3CH2 = CH2 + H2O

Cũng giống như hầu hết các loại ancol khác, Isopropylic cũng phản ứng được
với kim loại kiềm để giải phóng H2, phản ứng thế, phản ứng với ancol tạo ete, phản
ứng cháy hay còn gọi là phản ứng oxi hóa hoàn toàn
2.Điều chế
Vào năm 1994, 1.5 triệu tấn cồn Isopropylic được sản xuất tại Hoa Kì, Châu
Âu, Nhật Bản. Hợp chất này được sản xuất chủ yếu bằng cách kết hợp nước và
propene trong một phản ứng hydrat hóa hoặc hydro hóa acetone. Các quá trình này
chủ yếu tạo Isoproplic chứ không tạo 1-propanol nhờ việc bổ sung nước hoặc axit
sunfuric để propene chuyển sang Isopropylic theo quy tắc Markovnikov.
 Hydrat hóa gián tiếp:
Quá trình gián tiếp phản ứng propene với axit sunfuric để tạo thành một hỗn
hợp của các este sunfat. Tiếp theo thủy phân các este bằng hơi nước. Diisopropyl ete
là một sản phẩm phụ đáng kể của quá trình này, sau đó nó được tái chế bằng quá trình
thủy phân và để cung cấp sản phẩm mong muốn.
 Hydrat hóa trực tiếp:
Hydrat hóa trực tiếp phản ứng propene và nước. Trong giai đoạn khí hoặc chất
lỏng ở áp suất cao với sự có mặt của axit rắn hoặc chất xúc tác. Quá trình này yêu cầu
propene phải có độ tinh khiết cao (> 90 %).
 Hydro acetone:
Acetone thô được hydro hóa trong hỗn hợp đồng và oxit crom để cung cấp
Isopropylic. Quá trình này rất hữu ích khi kết hợp với sản xuất acetone dư thừa, chẳng
hạn như quá trình Cumene.
CH3-CHOH-CH3  CH3COCH3 + H2O
3.Ứng dụng

Isoproplic được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực với những ứng dụng sau:

SVTH: Nguyễn Đức Tuấn Ngọc Lớp: 13H5

Trang 5


Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Học

GVHD: ThS Phan Thanh Sơn

 Dung môi:
Isopropylic hòa tan được nhiều hợp chất không phân cực Nó bay hơi nhanh và
tương đối không độc so với những dung môi thay thế khác. Do đó nó được sử dụng
rộng rãi như một dung môi và chất tẩy rửa, đặc biệt cho việc hòa tan dầu mỡ.
Ví dụ cho ứng dụng này là dùng để tẩy rửa các thiết bị điện tử như các chân tiếp,
băng từ và đầu đĩa, các ống kính laser trong ổ đĩa quang (như CD, DVD).
 Chất trung gian:
Phản ứng ester hóa của Isopropylic với acid acetic cho ra isopropyl acetate –
một dung môi cũng được sử dụng khá rộng rãi khác. Isopropyylic còn phản ứng với
khí carbon disulfide (CS2) để cho ra sodium isopropyl xanthate (C4H7NaOS 2) – một
chất diệt cỏ có hoạt tính khá mạnh. Ngoài ra Isopropylic cũng phản ứng với Titanium
tetrachloride và Nhôm kim loại để cho ra Titanium và Aluminum isopropoxides, dùng
làm xúc tác trước đây và giờ đóng vai trò như một thuốc thử.
 Y học:
Dung dịch 75% của Isopropylic với nước có thể dùng để sát trùng. Isopropylic
cũng được dùng như một chất hỗ trợ làm khô nước trong các trường hợp chống viêm
tai, được nhiều người đi bơi dùng đến.


Dùng trong xe hơi:

Isopropylic là thành phần chính trong phụ gia nhiên liệu làm khô khí. Với một
hàm lượng đủ lớn, nước sẽ gây ra những sự cố cho các bồn chứa nhiên liệu vì nó tách
lớp khỏi nhiên liệu và có thể làm đóng băng các đường ống dẫn ở nhiệt độ thấp. Khi
có mặt Isopropylic nó không loại bỏ nước mà đóng vai trò như một dung môi trung
gian, Isopropylic có tác dụng hòa tan nước và hòa lẫn vào trong nhiên liệu và do đó
nước sẽ không gây ra những sự cố nêu trên.
II.Nước
Nước là một hợp chất hóa học của oxy và hidro, có công thức hóa học là H2O. Với
các tính chất lí hóa đặc biệt (ví dụ như tính lưỡng cực, liên kết hiđrô và tính bất thường
của khối lượng riêng) nước là một chất rất quan trọng trong nhiều ngành khoa học và
trong đời sống. 70% diện tích của Trái Đất được nước che phủ nhưng chỉ 0,3% tổng
lượng nước trên Trái Đất nằm trong các nguồn có thể khai thác dùng làm nước uống.
SVTH: Nguyễn Đức Tuấn Ngọc Lớp: 13H5

Trang 6


Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Học

GVHD: ThS Phan Thanh Sơn

Bên cạnh nước "thông thường" còn có nước nặng và nước siêu nặng. Ở các loại
nước này, các nguyên tử hiđrô bình thường được thay thế bởi các đồng vị đơteri và triti.
Nước nặng có tính chất vật lý (điểm nóng chảy cao hơn, nhiệt độ sôi cao hơn, khối lượng
riêng cao hơn) và hóa học khác với nước thường.
C.QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT
I.Khái niệm về chưng cất
Chưng cất là một quá trình vật lý dùng để

tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng cũng như hỗn
hợp khí-lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào sự sai khác về nhiệt độ sôi, hay sự sai
khác về độ bay hơi tương đối của các cấu tử trong hỗn hợp ở cùng một nhiệt độ (nghĩa
là khi ở cùng một nhiệt độ, áp suất suất hơi bão hào 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.
Trong trường hợp đơn giản nhất, chưng cất và cô đặc không khác gì nhau, tuy
nhiên giữa hai quá trình này có một ranh giới cơ bản đó 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 tỉ 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 sản phẩm và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ
thu được bấy nhiêu sản phẩm. Trong đồ án này,ta chỉ quan tâm đến trường hợp hỗn
hợp gồm hai cấu tử, khi đó quá trình chưng cất sẽ cho:
 Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần rất ít cấu tử
có độ bay hơi bé.
 Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi bé và một phần rất ít cấu tử
có độ bay hơi lớn.
Quá trình chưng cất có thể là liên tục hoặc gián đoạn.
II.Một số phương pháp chưng cất
1.Chưng đơn giản
Dùng để tách các hỗn hợp gồm các cấu tử có độ bay hơi rất khác nhau. Phương
pháp này thường dùng để tách sơ bộ hoặc làm sạch các cấu tử khỏi tạp chất.
SVTH: Nguyễn Đức Tuấn Ngọc Lớp: 13H5

Trang 7


Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Học

GVHD: ThS Phan Thanh Sơn

2.Chưng 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 được ứng dụng trong trường hợp chất được tách không tan vào nước.
Chưng cất
Chưng cất là phương pháp phổ biến nhất dùng để tách hoàn toàn hỗn hợp các
cấu tử dễ bay hơi có tính chất hòa tan một phần hoặc hòa tan hoàn toàn vào nhau.
Ngoài ra trong trường hợp các cấu tử của hỗn hợp dễ bị phân hủy ở nhiệt độ
cao hoặc hỗn hợp có nhiệt độ sôi quá cao, chưng cất được thực hiện ở áp suất thấp
(chung cất chân không). Nếu các cấu tử của hỗn hợp không hóa lỏng ở áp suất thường,
chưng cất được thực hiện ở áp suất cao.
Quá trình mà ta đang xét là chưng cất liên tục hỗn hợp hai cấu tử ở áp suất
thường, tan hoàn toàn trong nhau và không tạo dung dịch đẳng phí; là quá trình liên
tục, nghịch dòng, nhiều đoạn và cho sản phẩm có độ tinh khiết mong muốn.
III.THIẾT BỊ CHƯNG CẤT
Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để thực hiện quá trình
chưng cất. Tuy nhiên yêu cầu cơ bản chung cho các thiết bị vẫn giống nhau, nghĩa là
diện tích bề mặt 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…Tháp
chưng cất rất phong phú về kích cỡ và ứng dụng. Hai loại tháp thường dùng là tháp
đĩa và tháp đệm.

1.Tháp đĩa
Tháp đĩa gồm có thân tháp hình trụ thẳng đứng trong đó gắn các đĩa có cấu tạo
khác nhau trên đó pha lỏng và pha hơi được cho tiếp xúc với nhau. Chất lỏng đi vào
tháp ở đỉnh hoặc tại một đĩa thích hợp nào đó và chảy xuống do trọng lực qua mỗi đĩa
bằng ống chảy chuyền.Pha hơi hoặc khí đi từ dưới lên qua mỗi đĩa bằng các khe hở

trên đĩa do cấu tạo khác nhau của mỗi đĩa tạo nên. Quá trình chung cả tháp được xem
như là tiếp xúc pha nghịch dòng mặc dù trên mỗi đĩa hai pha tiếp xúc giao dòng.
Tháp đĩa có nhiều loại: tháp đĩa chóp, tháp đĩa xuyên lỗ…
Tháp đĩa chóp: trên đĩa có gắn chóp và ống chảy chuyền. Ở chóp có rãnh xung
quanh để pha khí đi qua.
SVTH: Nguyễn Đức Tuấn Ngọc Lớp: 13H5

Trang 8


Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Học

GVHD: ThS Phan Thanh Sơn

Tháp đĩa xuyên lỗ: trên đĩa có nhiều lỗ hay rãnh.Pha khí đi từ dưới lên qua các
lỗ trên đĩa và phân tán vào lớp chất lỏng chuyển động từ trên xuống theo các ống chảy
chuyền.

Hình 1.1.Tháp đĩa

2.Tháp đệm
Tháp đệm là một tháp hình trụ gồm nhiều bậc nối với nhau bằng mặt bích hay
hàn. Vật chêm được đổ đầy trong tháp theo một trong hai phương pháp: xếp ngẫu
nhiên hay xếp thứ tự.
Vật chêm được sử dụng gồm có nhiều loại khác nhau, phổ biến nhất là một số
loại vật chêm: vòng Raschig, vật chêm hình yên ngựa, vật chêm vòng xoắn.
Yêu cầu chung của các loại vật chêm là phải có diện tích bề mặt riêng lớn (tầng
chêm), ngoài ra độ rỗng (hay thể tích tự do, m2/m3 tầng chêm) lớn để giảm trở lực
cho pha khí. Vật liệu chế tạo vật chêm phải có khối lượng riêng nhỏ và bền hóa học.

SVTH: Nguyễn Đức Tuấn Ngọc Lớp: 13H5

Trang 9


Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Học

GVHD: ThS Phan Thanh Sơn

Trong thực tế không có loại vật chêm nào có thể đat được tất cả các yêu cầu trên, vì
thế tùy theo trường hợp cụ thể mà chọn loại vật chêm thích hợp.
Toàn bộ số vật chêm được đặt trên bộ phận đỡ vật chêm cũng là bộ phận phân
phối khí. Bộ phận này có thể là những thanh đỡ, hoặc có thể được chế tạo đặc biệt
trong đó diện tích tự do đạt tới 85%.
Chât lỏng được phân phối ở đỉnh tháp qua bộ phận phân phối lỏng sao cho chất
lỏng phải phải thấm ướt được toàn bộ vật chêm.

Hình 1.2.Tháp đệm

SVTH: Nguyễn Đức Tuấn Ngọc Lớp: 13H5

Trang 10


Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Học

GVHD: ThS Phan Thanh Sơn

3.Những ưu, nhược điểm của từng loại tháp
Tháp đệm

- Cấu tạo đơn giản.
- Trở lực nhỏ.
Ưu
điểm

- Hiệu quả tách cao.
- Chi phí lắp đặt thấp.

Tháp đĩa chop

Tháp mâm xuyên lỗ

- Chế tạo đơn giản và tiêu tốn
kim loại ít hơn tháp đĩa chóp.
- Năng suất cao. - Hiệu suất tương đối cao.
- Hoạt động ổn - Hoạt động khá ổn định.
định.
- Làm việc với chất lỏng bẩn.

- Dễ vệ sinh.
- Thiết bị nặng, năng suất - Chi tiết cấu - Trở lực khá cao.
thấp, độ ổn định thấp do tạo phức tạp.
- Yêu cầu lắp đặt khắt khe (lắp
có hiệu ứng thành.
- Trở lực lớn.
đĩa thật phẳng, lưu lượng làm
- Vệ sinh khó khăn nên - Tốn nhiều vật việc phải phù hợp với kích
không sử dụng được với liệu kim loại.
thước lỗ).
Nhược chất lỏng bẩn.

- Dễ bị rò rỉ chất lỏng qua các
điểm
lỗ, dẫn đến sự ngập lụt khi lưu
lượng hơi giảm.
IV.SƠ ĐỒ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ
1.Sơ đồ dây chuyền (Bản cad)
2.Thuyết minh dây chuyền
Hỗn hợp Isopropylic - nước là hỗn hợp hai chất lỏng hòa tan vào nhau. Ta có
nhiệt độ sôi của tSIsoproplic = 82.5oC < tSnước = 100oC ở áp suất thường nên độ
bay hơi của Isopropylic lớn hơn độ bay hơi của nước. Vậy nên sản phẩm đáy chủ yếu
là nước và một phần rất ít là Isopropylic, ngược lại sản phẩm đỉnh chủ yếu là
Isopropylic và một phần rất ít là nước.
Trước hết hỗn hợp Isopropylic – nước từ thùng chứa (1) được bơm (2) bơm lên
thùng cao vị (4) rồi dẫn xuống thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu (6).
Sự có mặt của thùng cao vị đảm bảo cho lượng hỗn hợp đầu vào tháp không
dao động, các van trên đường ống ngăn không cho chất lỏng chảy ngược về bơm,
trong trường hợp công suất bơm quá lớn hỗn hợp đầu sẽ theo ống tuần hoàn tràn về bể
chứa hỗn hợp đầu.
SVTH: Nguyễn Đức Tuấn Ngọc Lớp: 13H5

Trang 11


Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Học

GVHD: ThS Phan Thanh Sơn

Ở (6) dung dịch đi trong ống được đun nóng đến nhiệt độ sôi bằng hơi nước
bão hoà. Ra khỏi thiết bị đun nóng, dung dịch đi vào tháp chưng luyện (7) ở vị trí đĩa
tiếp liệu. Do đã được đun nóng đến nhiệt độ sôi nên tại đây Isopropylic thực hiện quá

trình chuyển khối từ pha lỏng sang pha hơi và tiến về đỉnh tháp. Nước là cấu tử khó
bay hơi ở nhiệt độ này nó vẫn đang ở thể lỏng và phân phối xuống dưới. Như vậy
trong tháp, hơi Isopropylic đi từ dưới lên gặp lỏng nước đi từ trên xuống. Vì nhiệt
độ càng lên càng thấp nên khi hơi Isopropylic đi từ dưới lên có mang theo một phần
cấu tử nước – cấu tử có nhiệt độ sôi cao sẽ ngưng tụ lại và cuối cùng ở trên đỉnh ta
thu được hỗn hợp gồm hầu hết cấu tử Isopropylic dễ bay hơi. Hơi Isopropylic vào
thiết bị ngưng tụ (10) được ngưng tụ lại. Một phần chất lỏng ngưng được làm nguội
nhờ thiết bị (11) rồi đưa vào thùng sản phẩm đỉnh (12). Một phần khác hồi lưu về tháp
ở đĩa trên cùng để tăng mức độ tách.
Tương tự quá trình dịch chuyển của nước sẽ kéo theo 1 phần cấu tử Isopropylic
và càng xuống thấp nhiệt độ của tháp càng tăng khi chất lỏng nước đi từ trên xuống
gặp hơi Isopropylic có nhiệt độ cao hơn, một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp được
bốc hơi và do đó nồng độ nước khó bay hơi trong chất lỏng ngày càng tăng. Cuối
cùng ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng gồm hầu hết là chất lỏng nước khó bay hơi.
Chất lỏng ở đáy tháp khi ra khỏi tháp được làm lạnh bằng thiết bị làm mát (9) sau đó
được đưa vào thùng chứa sản phẩm đáy (13).

SVTH: Nguyễn Đức Tuấn Ngọc Lớp: 13H5

Trang 12


Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Học

GVHD: ThS Phan Thanh Sơn

CHƯƠNG II: TÍNH CÔNG NGHỆ THIẾT BỊ CHÍNH
A.CÂN BẰNG VẬT LIỆU, NHIỆT LƯỢNG
I.CÂN BẰNG VẬT LIỆU
1.Thông số ban đầu:

Các ký hiệu:
-

GF, GP, GW: Lưu lượng khối lượng dòng nguyên liệu vào, sản phẩm đỉnh, sản
phẩm đáy (kg/h)

-

F, P, W: Lưu lượng mol của dòng nguyên liệu vào, sản phẩm đỉnh, sản phẩm
đáy (kmol/h)

-

aF, aP, aW: Nồng độ phần khối lượng của cấu tử dễ bay hơi (cấu tử nhẹ) trong
hỗn hợp lỏng của dòng nguyên liệu vào, sản phẩm đỉnh và trong sản phẩm đáy
(kg Isopropylic/kg hỗn hợp lỏng)

-

xF, xP, xW: Nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp lỏng của
dòng nguyên liệu vào, sản phẩm đỉnh và trong sản phẩm đáy (kmol
Isopropylic/kmol hỗn hợp lỏng)

-

bF, bP, bW: Nồng độ phần khối lượng của cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp hơi
của dòng nguyên liệu vào, sản phẩm đỉnh và trong sản phẩm đáy (kg
Isopropylic/kg hỗn hợp hơi)

-

yF, yP, yW: Nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp hơi của dòng
nguyên liệu vào, sản phẩm đỉnh và trong sản phẩm đáy (kmol Isopropylic/kmol
hỗn hợp hơi)

Số liệu ban đầu:
-

GF = 58000 (kg/ngày) = 2416.67 (kg/h)

-

aF = 34% khối lượng = 0,34 (kg Isopropylic/kg hỗn hợp dòng vào)

-

aP = 87% khối lượng = 0,87 (kg Isopropylic/kg hỗn hợp đỉnh)

-

aW = 5% khối lượng = 0,05 (kg Isopropylic/kg hỗn hợp đáy)

-

M C3 H8O

= 60 (kg/kmol),

M H 2O

= 18 (kg/kmol)

2.Tính cân bằng vật liệu:

SVTH: Nguyễn Đức Tuấn Ngọc Lớp: 13H5

Trang 13


Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Học

-

GVHD: ThS Phan Thanh Sơn

Cân bằng vật liệu chung cho toàn tháp và cân bằng vật liệu cho Isopropylic
(cấu tử nhẹ)
GF  GP  GW
�
�
GF aF  GP aP  GW aW
�

Suy ra

Vậy

GW
GF
GP



aP  aW aF  aW aP  aF
GP 

aF  aW
0,34  0,05
.GF 
.2416, 67  854, 67
aP  aW
0,87  0,05
(kg/h)

GW  GF  GP  2416, 67  854, 67  1561,99

-

(kg/h)

Chuyển từ nồng độ phần khối lượng sang phần mol
aF

0,34
M C3H8O
60
xF 

aF
1  aF 0,34 1  0,34



M C3 H8O M H2O
60
18

= 0,13 (phần mol)

aP

-

0,87
M C3 H8O
60
xP 

aP
1  aP 0,87 1  0,87


60
18
M C3 H8O M H2O

= 0,67 (phần mol)

aW
0, 05
M C3H8O
60

xW 

aW
1  aW 0, 05 1  0,05


60
18
M C3H8O M H 2O

= 0,02 (phần mol)

Tính khối lượng mol trung bình của
Hỗn hợp nguyên liệu:
M F  xF .M C3 H8O   1  xF  .M H 2O  0,13.60   1  0,13 .18  23, 62

(kg/kmol)

Sản phẩm đỉnh:
M P  xP .M C3 H8O   1  xP  .M H 2O  0, 67.60   1  0, 67  .18  46, 04

(kg/kmol)

Sản phẩm đáy:
M W  xW .M C3 H8O   1  xW  .M H 2O  0, 02.60   1  0, 02  .18  18, 65
SVTH: Nguyễn Đức Tuấn Ngọc Lớp: 13H5

(kg/kmol)
Trang 14

Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Học

-

-

GVHD: ThS Phan Thanh Sơn

Quy đổi lưu lượng khối lượng nguyên liệu và sản phẩm thành lưu lượng mol:
F

GF 2416,67

 102,31
MF
23,62
(kmol/h)

P

GP 854, 67

 18,57
M P 46,04
(kmol/h)

W

GW 1561,99


 83,74
MW
18, 65
(kmol/h)

Bảng cân bằng vật chất cho toàn tháp:
Hỗn hợp

Nồng độ phần
khối lượng

Nồng độ
phần mol

Lưu lượng khối
lượng (kg/h)

Lưu lượng
mol (kmol/h)

Nguyên liệu vào

0,34

0,13

2416,67

102,31

Sản phẩm đỉnh

0,87

0,67

854,67

18,57

Sản hẩm đáy

0,05

0,02

1561,99

83,74

Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng, đoạn luyện:
a. Đoạn luyện:
Để đơn giản tính toán ta thừa nhận những giả thiết sau:
-

Số mol của pha hơi đi từ dưới lên bằng nhau trong mọi tiết diện của tháp

-

Hỗn hợp đầu đi vào tháp ở nhiệt độ sôi

-

Chất lỏng ngưng trong thiết bị ngưng tụ có thành phần bằng thành phần hơi đi
ra khỏi đỉnh tháp

-

Đun sôi ở đáy tháp bằng hơi đốt gián tiếp

-

Số mol chất lỏng không thay dổi theo chiều cao trong đoạn chưng và đọan
luyện
Ta có phương trình cân bằng vật liệu đối với đoạn luyện:
Gy = Gx + P
Trong đó:

-

Gy: Lưu lượng pha hơi đi từ dưới lên ra khỏi đỉnh tháp (kmol/h)

-

Gx: Lưu lượng pha lỏng đi hồi lưu trở về lại đi từ trên xuống (kmol/h)

SVTH: Nguyễn Đức Tuấn Ngọc Lớp: 13H5

Trang 15

Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Học

-

GVHD: ThS Phan Thanh Sơn

P: Lưu lượng sản phẩm đỉnh
Phương trình cân bằng vật liệu viết cho cấu tử dễ bay hơi (Isopropylic):
G y . yn1  Gx .xn  P.xP
Gy
P

Suy ra:

yn 1 

yn 1 

Gx
xn  x p
P

x
Rx
xn  p
Sy
Sy

Với

Rx 

Sy 

Gx
P : Chỉ số hồi lưu

Gy
P

 Rx  1

: Chỉ số hơi

Do đó phương trình đường nồng độ làm việc có dạng:
yn 1  Axn  B
A

Với

Rx
x
; B P
Rx  1
Rx  1

b. Đoạn chưng:
Phương trình cân bằng vật liệu đoạn chưng:

G’x = Gy + W
G’x = Gy + W: Lượng lỏng trong đoạn chưng từ trên xuống
W: Lưu lượng sản phẩm đáy (kmol/h)
F : Lưu lượng hỗn hợp đầu (kmol/h)
Phương trình cân bằng vật liệu cho cấu tử dễ bay hơi (Isopropylic):
Gx' .xn'  Gy . yn' 1  W .xW

Suy ra:

Có dạng:

yn' 1 

y

'
n 1

Rx  L ' L  1
F
xn 
xW
L
Rx  1
Rx  1
P
với

 Ax B
' '

n

'

A' 

Với:

Rx  L
L 1
; B'  
Rx  1
Rx  1

Hai đường làm việc của đoạn chưng và đoạn luyện giao nhau tại hoành độ x = xF

SVTH: Nguyễn Đức Tuấn Ngọc Lớp: 13H5

Trang 16


Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Học

GVHD: ThS Phan Thanh Sơn

3.Tính thành phần mol cân bằng của các cấu tử dựa vào dữ liệu cân bằng pha:
Thành phần cân bằng lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp hai cấu tử
Isopropylic-Nước ỏ áp suất thường (P=760 mmHg) (phần trăm mol):

x (%)

0

5

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

y (%)

0

48.5

53

60

64

66.5

68

68.4

70

77

83

100

t (0C)

100

84.4

82.5

81.2

81

80.6 80.5

80.4

80.5

81

82.3

82.4

[Trang 148 Sổ tay QTTBCNHC tập 2]
Từ số liệu trên ta vẽ đường cân bằng trên đồ thị x-y và vẽ giản đồ T-x,y
Giản đồ x-y (%mol) của hệ hai cấu tử
Isopropylic-Nước
100
90
80
70
Đường cân bằng
x=y

60
50
40
30

20
10
0

0

10

20

30

40

50

SVTH: Nguyễn Đức Tuấn Ngọc Lớp: 13H5

60

70

80

90

100

Trang 17

Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Học

GVHD: ThS Phan Thanh Sơn

Giản đồ T-x,y của hệ hai cấu tử
Isopropylic-Nước
100
98
96
94
92

Đường sôi
Đường sương

90
88
86
84
82
80

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Gọi:
-

y*F, y*P, y*W : Nồng độ phần mol của pha hơi cân bằng với pha lỏng trong hỗn
hợp đầu, sản phẩm đáy và sản phẩm đáy

-

t0sF, t0sP, t0sW : Nhiệt độ sôi của hỗn hợp đầu, sản phẩm đáy và sản phẩm đáy

Dựa vào giản đồ T-x,y kết hợp với phương pháp nội suy, ta có kết quả sau:

Hỗn hợp
F
P

W

%mol
13,39
66,75
1,55

X
Phần mol
0,13
0,67
0,02

%mol
55,37
69,48
15,08

y*
Phần mol
0,55
0,69
0,15

T0s
82,06
80,47
95,15

Với công thức nội suy như sau:

y  y A   x  xA  .

yB  y A
xB  x A

t s  t As   x  xA  .

t Bs  t As
xB  x A

4.Xác định số đĩa lý thuyết:
Xác định chỉ số hồi lưu Rx và số đĩa lý thuyết tối thiểu:
SVTH: Nguyễn Đức Tuấn Ngọc Lớp: 13H5

Trang 18


Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Học

GVHD: ThS Phan Thanh Sơn

Chỉ số hồi lưu Rx là tỷ số giữa lượng lỏng hồi lưu và lượng sản phẩm đỉnh
-

Xác định Rxmin:
Rx min 

-

xP  yF* 0, 67  0,55


 0, 27
y*F  xF 0,55  0,13

Xác định các giá trị Rx = b.Rxmin với b = 1,2 �2,5
B

-

xP
Rx  1 : Giá trị tọa độ gốc của phương trình đường nồng

Xác định các giá trị
độ làm việc của đoạn luyện

4.1.Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng và đoạn luyện:
Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn luyện là phương trình đường thẳng
có dạng :
A

yn 1  Axn  B

với

Rx
x
; B P
Rx  1
Rx  1

Và đi qua điểm y = x = xP
Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng là phương trình đường thẳng có dạng:
y

'
n 1

 Ax B
' '
n

'

A' 

với

Rx  L
L 1
; B'  
Rx  1
Rx  1

Và đi qua điểm y = x = xW
Trên đồ thị y-x :
-

Đường làm việc của đoạn luyện đi qua điểm (xP,yP) cắt Oy tại B. Điểm B phụ
thuộc theo chỉ số hồi lưu Rx.

-

Đường làm việc của đoạn chưng đi qua điểm (xW,yW) và giao điểm của đường
làm việc của đoạn luyện với đường thẳng x=xF.
Với mỗi đường làm việc của đoạn luyện ta xác định số bậc thay đổi nồng độ lý
thuyết Nlt bằng đồ thị y-x

4.2.Chọn tỷ số hồi lưu thích hợp:
Bảng xác định các giá trị Nlt
B

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

2,2

2,4

2,5

Rx

0.33

0.38

0.43

0.49

0.54

0.60

0.65

0.68

SVTH: Nguyễn Đức Tuấn Ngọc Lớp: 13H5

Trang 19


Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Học

GVHD: ThS Phan Thanh Sơn

B

50.37

48.39

46.56

44.86

43.28

41.81

40.44

39.79

Nlt

5.83

4.93

4.74

4.49

4.15

3.98

3.95

3.94

Nlt.(Rx+1)

7.73

6.81

6.79

6.68

6.40

6.35

6.53

6.61

8.00
7.80
7.60
7.40
7.20
7.00
6.80
6.60
6.40
6.20
6.00
1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

2.2

2.4

2.6

Từ đồ thị, ta thấy giá trị Ntl.(Rx+1) nhỏ nhất tại b=2,2. Tiếp tục xét hai giá trị b=2,1
và b=2,3 xung quanh b=22, ta được kết quả sau:

B
Rx
B
Nlt
Nlt.(Rx+1)

SVTH: Nguyễn Đức Tuấn Ngọc Lớp: 13H5

2.1
0.57

42.54
3.99
6.27

2.2
0.60
41.81
3.98
6.35

2.3
0.62
41.12
3.97
6.44

Trang 20


Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Học

GVHD: ThS Phan Thanh Sơn

Kết luận : Giá trị nhỏ nhất của Nlt.(Rx+1)=6,27 tương ứng với b=2,1. Khi đó chỉ số
hồi lưu Rx=0,57 và số đĩa lý thuyết Nlt=3,99 trong đó:
-

Số đĩa lý thuyết của đoạn luyện là: 2,23

-

Số đĩa lý thuyết của đoạn chưng là: 1,77

Suy ra :
-

Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn luyện:
0,57
66, 75
x
 0,36 x  42,54
0,57  1
0,57  1

-

Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng:
0,57  5,51
1  5,51
x '
�1,55  3,87 x ' 4, 47
0,57  1
0,57  1

Với

L

F 102,31


 5,51
P 18,57
;

x P , xW

SVTH: Nguyễn Đức Tuấn Ngọc Lớp: 13H5

(%mol)

Trang 21


Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Học

GVHD: ThS Phan Thanh Sơn

5.Xác định số đĩa thực tế:
N tt 

N lt
tb

Với:
-

Nlt: Số đĩa lý thuyết (số bậc thay đổi nồng độ)

-

tb : Hiệu suất trung bình của thiết bị
tb 

 P   F  W
3

Với:

P,F,W: lần lượt là hiệu suất đĩa đầu tiên ở đỉnh tháp, của đĩa nạp liệu và của
đĩa cuối cùng ở đáy tháp
Xác định hiệu suất trung bình của tháp tb :

tb = f (, )
Trong đó:
 : Độ bay hơi tương đối của hỗn hợp
 : Độ nhớt của hỗn hợp lỏng, N.s/m2


y 1 x
.
1 y x

y, x: Nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi và pha lỏng

-

Vị trí đĩa đầu tiên ở đỉnh tháp:
 xP = 0,67 (phần mol)
 yP = 0,69 (phần mol)
 TsP = 80,47 0C

-

Vị trí đĩa nạp liệu:
 xF = 0,13 (phần mol)
 yF = 0,55(phần mol)
 TsF = 82,06 0C

SVTH: Nguyễn Đức Tuấn Ngọc Lớp: 13H5

Trang 22


Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Học

-

GVHD: ThS Phan Thanh Sơn

Vị trí đĩa cuối cùng ở đáy tháp:
 xW = 0,02 (phần mol)
 yW = 0,15 (phần mol)
 TsW = 95,15 0C

-

Xác định độ nhớt, độ bay hơi tương đối, hiệu suất tại các vị trí:
Vị trí đĩa đầu tiên của đỉnh tháp:
Tại TsP = 80,47 0C, có:
C3 H8O

= 0,51.10-3 N.s/m2

 H 2O

= 0,36.10-3 N.s/m2

[Tra bảng I.101-Sổ tay QTTBCNHH tậpI]
log( hh ) = xP.log(
Suy ra

C3H8O

) + (1-xP).log(

 H 2O

)

hh = 0,40.10-3 (N.s/m2) = 0,40 (cSt)


0, 69 1  0, 67
�
 1,13
1  0,69
0, 67

. hh = 1,13.0,40 = 0,45
Vậy P = 0,6 [Tra đồ thị IX.11 Trang 171 Sổ tay QTTBCNHH tập II]

Vị trí đĩa nạp liệu:
Tại TsF = 82,06 0C, có:
C3 H8O

= 0,49.10-3N.s/m2

 H 2O

= 0,35.10-3 N.s/m2

[Tra bảng I.101-Sổ tay QTTBCNHH tậpI]
log( hh ) = xF.log(

C3H8O

) + (1-xF).log(

 H 2O

)

hh = 0,47.10-3 (N.s/m2) = 0,47 (cSt)

SVTH: Nguyễn Đức Tuấn Ngọc Lớp: 13H5

Trang 23


Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Học



GVHD: ThS Phan Thanh Sơn

0,55 1  0,13
�
 8, 03
1  0,55 0,13

. hh = 8,03.0,47 = 3,77
Vậy F = 0,35 [Tra đồ thị IX.11 Trang 171 Sổ tay QTTBCNHH tập II]

Vị trí đĩa cuối cùng của đáy tháp:
Tại TsW = 95,15 0C, có:
C3 H8O

 H 2O

= 0,38.10-3 N.s/m2

= 0,30.10-3 N.s/m2

[Tra bảng I.101-Sổ tay QTTBCNHH tậpI]
log( hh ) = xW.log(

C3 H8O

) + (1-xW).log(

 H 2O

)

hh = 0,37.10-3 (N.s/m2) = 0,37 (cSt)


0,15 1  0, 02
�
 11, 24
1  0,15
0, 02

. hh = 11,24.0,37 = 4,21
Vậy W = 0,34 [Tra đồ thị IX.11 Trang 171 Sổ tay QTTBCNHH tập II]
Suy ra:
tb 

 P   F  W 0,35  0, 6  0,34

 0, 43
3
3

Ntt 

N lt 3,99

 9, 29
tb 0, 43

(đĩa)

Số đĩa thực tế:

Trong đó:
-

Số đĩa thực tế của đoạn luyện là:
N ttdL 

-

NltdL 2, 23

 5,18
tb
0, 43
(đĩa)

Số đĩa thực tế của đoạn chưng là:

SVTH: Nguyễn Đức Tuấn Ngọc Lớp: 13H5

Trang 24


Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Học

N ttdC 

GVHD: ThS Phan Thanh Sơn

NltdC 1,77

 4,11
tb
0, 43
(đĩa)

Vậy số đĩa thực tế : Ntt = 10 đĩa.Trong đó:
-

Số đĩa thực tế của đoạn luyện là: 6 đĩa

-

Số đĩa thực tế của đoạn chưng là:4 đĩa

II.CÂN BẰNG NHIỆT
 Mục đích:
-

Xác định lượng nước lạnh cần thiết cho quá trình ngưng tụ tại thiết bị ngưng tụ
hoàn toàn.

-

Xác định lượng hơi nước cần thiết khi đun nóng hỗn hợp đầu đến cuối nhiệt độ
sôi tại thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu và đun bốc hơi ở đáy tháp chưng cất.

-

Chọn nước làm chất tải nhiệt vì nó là nguyên liệu rẻ tiền, phổ biến trong thiên
nhiên và có khả năng đáp ứng yêu cầu công nghệ.

SVTH: Nguyễn Đức Tuấn Ngọc Lớp: 13H5

Trang 25