THIẾT KẾ HỆ THỐNG THIẾT BỊ CHƯNG LUYỆN LOẠI THÁP CHÓP ĐỂ PHÂN TÁCH HỖN HỢP HAI CẤU TỬ BENZENTOLUEN

Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

Khoa Công Nghệ Hoá

ĐỒ ÁN MÔN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ
BỘ MÔN QUÁ TRÌNH -THIẾT BỊ
………..**………
THIẾT KẾ HỆ THỐNG THIẾT BỊ CHƯNG LUYỆN LOẠI
THÁP CHÓP ĐỂ PHÂN TÁCH HỖN HỢP HAI CẤU TỬ
BENZEN-TOLUEN

Giáo viên hướng dẫn
Sinh viên
Mã sinh viên
Lớp

:THẦY NGUYỄN XUÂN CẢNH
:NGUYỄN THỊ HÀ TRANG
:0941120201
:CÔNG NGHỆ HÓA 3 K9

Hà nội 5-2017

GVHD:Th.S NGUYỄN XUÂN CẢNH
Đồ án môn Quá trình thiết bị

Page 1

Nguyễn thị Hà Trang
Mã sv:0941120201
Lớp DHCNH3-K9

Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

Khoa Công Nghệ Hoá

BỘ CÔNG THƯƠNG
Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT N
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

Đồ án môn học quá trình và thiết bị
I)ĐẦU ĐỀ THIẾT KẾ:

Thiết kế tháp chưng liên tục loại tháp chóp để phân tách hỗn hợp C6H6 và
C6H5 –CH3
II) CÁC SỐ LIỆU BAN ĐẦU:
+ Hỗn hợp cần tách:
C6H6 và C6H5 –CH3
+ Năng suất tính theo hỗn hợp đầu: F= 10000 (kg/h)
+ Nồng độ cấu tử dễ bay hơi:
- Hỗn hợp đầu:
aF = 0,2 (phần khối lượng)
- Sản phẩm đỉnh:
ap = 0,97 (phần khối lượng)
-Lượng sản phẩm đỉnh : p=1 tấn/h
+ Tháp làm việc ở áp suất thường
+ Hỗn hơp đầu được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi.
III) NỘI DUNG CÁC PHẦN THUYẾT MINH VÀ TÍNH TOÁN:

1/ Giới thiệu chung: + Mở đầu và giải thích về hỗn hợp được chưng luyện.
+ Vẽ và thuyết minh dây chuyền sản xuất.
2/ Tính toán thiết bị chính:
+ Tính toán cân bằng vật liệu toàn thiết bị
+ Tính đường kính tháp
+ Tính chiều cao tháp
+ Tính cân bằng nhiệt
+ Tính trở lực của tháp
3/ Tính thiết bị phụ:
+ Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu,hỗn hợp đáy
+ Tính bơm
+ Tính thùng cao vị
+ Tính toán cơ khí và lựa chọn
-Bề dày thiết bị
-Tính đường kính các ống dẫn
-Tính đáy và nắp thiết bị
-Chọn bích ghép
-Tính toán giá đỡ và tai treo
4/ Kết luận chung.
5/ Tài liệu tham khảo.
GVHD:Th.S NGUYỄN XUÂN CẢNH
Đồ án môn Quá trình thiết bị

Page 2

Nguyễn thị Hà Trang
Mã sv:0941120201
Lớp DHCNH3-K9

Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

Khoa Công Nghệ Hoá

IV) CÁC BẢN VẼ VÀ ĐỒ THỊ:

+ Bản vẽ dây chuyền sản xuất A4
+ Bản vẽ thiết bị chính và lắp giáp A0

Nhận Xét Của Giáo Viên Hướng Dẫn



....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................

Hà Nội, ngày … tháng … năm 2017
Người nhận xét

MỤC LỤC
Lời mở đầu ........................................................................................................5
Phần I: Giới thiệu chung..................................................................................7
I.Giới thiệu về hỗn hợp chưng............................................................................7
GVHD:Th.S NGUYỄN XUÂN CẢNH
Đồ án môn Quá trình thiết bị

Page 3

Nguyễn thị Hà Trang
Mã sv:0941120201
Lớp DHCNH3-K9


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

Khoa Công Nghệ Hoá

1Benzen.............................................................................................................7
2.Toluen.............................................................................................................8
II.Sơ đồ chưng.....................................................................................................9
1.Chú thích các kí hiệu trong quy trình............................................................9
2.Thuyết minh dây chuyền sản xuất...............................................................10
3.Các kí hiệu trước khi tính ...........................................................................10
Phần II: Tính toán thiết bị chính..................................................................12
I.Tính cân bằng vật liệu toàn thiết bị................................................................12
1.Cân bằng vật liệu..........................................................................................12
2.Xác định số bậc thay đổi nồng độ...............................................................13
II.Tính đường kính tháp....................................................................................27

1.Lưu lượng các dòng pha đi trong tháp........................................................27
2.Vận tốc hơi đi trong tháp.............................................................................32
3. Đường kính đoạn luyện ..............................................................................36
4. Đường kính đoạn chưng..............................................................................37
III.Chiều cao tháp..............................................................................................37
1.Hệ số khuếch tán..........................................................................................37
2.Hệ số cấp khối..............................................................................................39
3.Hệ số chuyển khối........................................................................................45
IV.Tính trở lực của tháp....................................................................................50
1.Trở lực của đĩa khô......................................................................................51
2.Trở lực của đĩa do sức căng bề mặt ............................................................52
3.Trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa...............................................................54
V.Tính cân bằng nhiệt lượng.............................................................................58
1.Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu...........................58
2.Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện...............................................61
3.Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ...............................................64
4.Cân bằng nhiệt lượng tại thiết bị làm lạnh..................................................65
Phần III: Tính thiết bị phụ ............................................................................67
I.Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu.......................................................................67
1.Hiệu số nhiệt độ trung bình.........................................................................67
GVHD:Th.S NGUYỄN XUÂN CẢNH
Đồ án môn Quá trình thiết bị

Page 4

Nguyễn thị Hà Trang
Mã sv:0941120201
Lớp DHCNH3-K9

Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

Khoa Công Nghệ Hoá

2.Lượng nhiệt trao đổi....................................................................................67
3.Diện tích trao đổi nhiệt................................................................................68
II.Tính bơm và thùng cao vị.............................................................................75
1.Các trở lực quá trình cấp liệu......................................................................75
2.Chiều cao thùng cao vị so với đĩa tiếp liệu.................................................85
3.Chiều cao làm việc của bơm........................................................................86
4. Áp suất toàn phần của bơm và năng suất bơm..........................................87
III.Tính toán cơ khí và lựa chọn.......................................................................88
1.Tính toán thân tháp......................................................................................88
2.Tính chóp và kích thước cơ bản của chóp..................................................91
3.Tính đáy và nắp thiết bị...............................................................................93
4.Chọn mặt bích..............................................................................................95
5. Đường kính các ống dẫn.............................................................................96
6.Khối lượng tháp............................................................................................99
7.Tính tai treo................................................................................................102
8.Tính chân đỡ...............................................................................................103
Kết luận ........................................................................................................... 104
Tài liệu tham khảo..........................................................................................105

LỜI MỞ ĐẦU
Chúng ta đang sống trong thế giới với khoa học kỹ thuật ngày càng phát
triển. Trong ngành công nghệ vật liệu mới không thể không nhắc đến ngành
công nghiệp hóa học, bởi công nghệ hoá thuộc lĩnh vực công nghệ đòi hỏi kỹ
GVHD:Th.S NGUYỄN XUÂN CẢNH
Đồ án môn Quá trình thiết bị

Page 5

Nguyễn thị Hà Trang
Mã sv:0941120201
Lớp DHCNH3-K9


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

Khoa Công Nghệ Hoá

thuật cao, mức độ phát triển công nghệ này được coi như một chỉ thị về trình độ
phát triển của một đất nước.
Nhận thấy rõ sự phát triển như vũ bão của ngành công nghệ hóa học, với
lối tư duy nhạy bén và sáng tạo, khoa Công nghệ Hóa Trường Đại Học Công
Nghiệp Hà Nội đã đào tạo ra những sinh viên chuyên ngành Hóa. Điều đó không
chỉ cung cấp cho đất nước đội ngũ những công nhân lành nghề, thợ kỹ thuật có
tay nghề cao mà nó còn mở cơ hội việc làm cho giới trẻ trong lĩnh vực khá mới
mẻ này.
Là một sinh viên khoa Công Nghệ Hóa, chúng em được trang bị rất nhiều
kiến thức cơ bản về các quá trình thiết bị của công nghệ sản xuất những sản
phẩm hóa học. Nhận được bản đồ án này là một cơ hội tốt để chúng em được
tìm hiểu về các quá trình công nghệ, được vận dụng những kiến thức đã được
học và mở rộng vốn kiến thức của mình, từ đó giúp chúng em có cái nhìn cụ thể
hơn về nghành nghề mình đã lựa chọn.
Công nghệ hóa học là một ngành giữ vị trí, vai trò quan trọng trong việc
sản xuất phục vụ cho nhiều lĩnh vực, cho mọi nghành kinh tế quốc dân, tạo tiền
đề cho nhiều ngành phát triển theo. Với nhiều phương pháp sản xuất khác nhau
như lắng, lọc, đun nóng, làm nguội, chưng luyện, hấp thụ, hấp phụ, trích ly, sấy
khô, đông lạnh…đã tạo ra rất nhiều sản phẩm đa dạng, phong phú đáp ứng nhu

cầu ngày càng lớn của con người. Đặc biệt được ứng dụng nhiều nhất là chưng
luyện, nó được ứng dụng trong nhiều ngành, lĩnh vực, đặc biệt là công nghệ lên
men, công nghệ tổng hợp hữu cơ, lọc - hóa dầu, công nghệ sinh học...
Vậy chưng luyện là gì?quy trình công nghệ của nó như thế nào.ứng dụng của
nó ra sao,thiết bị vật sử dụng cho quy trình công nghệ này cần đảm bảo những
yêu cầu nào và phải được tính toán ra sao?Vì vậy em xin đi sâu vào nghiên cứu
về quá trình công nghệ và vận hành quy trình công nghệ của quá trình chưng
luyện tháp chóp để phân tách hai hỗn hợp benzen và toluen
Chưng là phương pháp dùng để tách hỗn hợp khí lỏng thành các cấu tử riêng
biệt dựa vào nhiệt độ sôi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp. Khi chưng thu
được nhiều sản phẩm và thường có bao nhiêu cấu tử thì có bấy nhiêu sản phẩm.
GVHD:Th.S NGUYỄN XUÂN CẢNH
Đồ án môn Quá trình thiết bị

Page 6

Nguyễn thị Hà Trang
Mã sv:0941120201
Lớp DHCNH3-K9


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

Khoa Công Nghệ Hoá

Riêng đối với phương pháp chưng luyện hai cấu tử thì sản phẩm đỉnh gồm chủ
yếu là cấu tử dễ bay hơi còn sản phẩm đáy là cấu tử khó bay hơi.
Trong sản xuất ta thường gặp các phương pháp chưng khác nhau như:
chưng đơn giản, chưng bằng hơi nước trực tiếp, chưng chân không và đặc biệt
hơn là chưng luyện.

Chưng luyện là phương pháp thông dụng 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. Chưng luyện ở áp suất thấp dùng cho các hỗn hợp dễ bị phân hủy nhiệt ở
nhiệt độ cao, các cấu tử dễ bay hơi và ngược lại.
ỨNG DỤNG



Tách dầu mỏ tài nguyên khai thác dưới dạng lỏng



Tách các hỗn hợp khí đã hóa lỏng



Tách hỗn hợp chất hữu cơ trong tổng hợp hữu cơ. Trong công nghệ

sinh học, thực phẩm, các quá trình lênmen sản xuất các sản phẩm như: rượu, bia,
nước ngọt…
Vì thế, đề tài ” Thiết kế hệ thống chưng cất benzen-toluen “ của môn “Đồ
Môn Học Quá Trình Thiết Bị” cũng là một bước giúp cho sinh viên tập luyện và
chuẩn bị cho việc thiết kế quá trình và thiết bị công nghệ trong lĩnh vực này.Để
hoàn thành đồ án này , thực sự em đã cố gắng rất nhiều . Song , vì đây là bước
đầu làm quen với công tác thiết kế nên chắc hẳn không tránh khỏi những sai sót
Cuối cùng , em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Quá Trình
Thiết Bị , đặc biệt là thầy Nguyễn xuân Cảnh , người đã trực tiếp hướng dẫn và
giúp đỡ em rất nhiều trong suốt thời gian thực hiện đồ án thiết kế.

PHẦN I. GIỚI THIỆU CHUNG

GVHD:Th.S NGUYỄN XUÂN CẢNH
Đồ án môn Quá trình thiết bị

Page 7

Nguyễn thị Hà Trang
Mã sv:0941120201
Lớp DHCNH3-K9


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

I.

Khoa Công Nghệ Hoá

GIỚI THIỆU VỀ HỖN HỢP CHƯNG:

Benzen và toluen là hai loại hoá chất quan trọng trong nghành công nghiệp
hóa chất.
1. Benzen
Benzen là hỗn hợp dạng vòng, ở dạng lỏng không màu và có mùi thơm nhẹ. Có
công thức C6H6 , có nhiệt độ sôi 80,10C nhiệt nóng chảy từ 5,50C. Benzen không phân
cực vì vậy tan ít trong nước. Trước đấy người ta thường sử dụng benze làm dung môi .
tuy nhiên sau đó người ta phát hiện ra rằng nồng độ benzen trong không khí chỉ cần
thấp hơn khoảng 1ppm cũng có khả năng gây ra bệnh bạch cầu , nên ngày nay benzen
được sử dụng hạn chế hơn.
*Các tính chất vật lý của benzen:
•

Khối lượng phân tử 78,11

•

Tỉ trọng (200C):0.879

•

Nhiệt độ sôi :800C

•

Nhiệt độ nóng chảy:5,50C

2 .Toluen
Toluen là họp chất dạng vòng, ở dạng lỏng và có tính thơm có công thức C7H8.
Không phân cực do đó toluen tan tốt trong benzen. Toluen có tính chất dung môi tương
tự như benzen nhưng độc tính thấp hơn benzen nhiều lần, nên ngày nay thường được
sử dụng thay benzen làm dung môi trong phòng thí nghiệm và công nghiệp
*Các tính chất vật lý của toluen:
•

Khối lượng phân tử 92,12

•

Nhiệt độ sôi 1110C .

•

Nhiệt độ nóng chảy -930C

•

Hỗn hợp 2 chất là đồng đẳng có nhiệt độ soi tương đối gần

=>Các chất này được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp dược phẩm hóa chất , thuốc
nhuộm... Hỗn hợp benzen- toluen có thể tiến hành bằng phương pháp chưng luyện liên
tục bằng tháp chóp để tách riêng biệt chúng.

GVHD:Th.S NGUYỄN XUÂN CẢNH
Đồ án môn Quá trình thiết bị

Page 8

Nguyễn thị Hà Trang
Mã sv:0941120201
Lớp DHCNH3-K9


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

Khoa Công Nghệ Hoá

II. SƠ ĐỒ CHƯNG :
1. Chú thích các kí hiệu trong qui trình:
Trong đó:
1- Thùng chứa hỗn hợp đầu

6- Thiết bị ngưng tụ hồi lưu

2- Bơm

7- Thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh

3- Thùng cao vị

8- Thùng chứa sản phẩm đỉnh

4- Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu

9- Thiết bị gia nhiệt đáy tháp

5- Tháp chưng luyện

10- Thùng chứa sản phẩm đáy
11- Lưu lượng kế

GVHD:Th.S NGUYỄN XUÂN CẢNH
Đồ án môn Quá trình thiết bị

Page 9

Nguyễn thị Hà Trang
Mã sv:0941120201
Lớp DHCNH3-K9


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

Khoa Công Nghệ Hoá

2 . Thuyết minh dây chuyền sản xuất:
Dung dịch đầu ở thùng (1) được bơm (2) bơm liên tục lên thùng cao vị (3), mức
chất lỏng cao nhất ở thùng cao vị được khống chế nhờ ống chảy tràn, từ thùng cao vị
dung dịch được đưa vào thiết bị đun nóng (4) qua lưu lượng kế (11), ở đây dung dịch
được đun nóng đến nhiệt độ sôi bằng hơi nước bão hoà, từ thiết bị gia nhiệt (4) dung
dịch được đưa vào tháp chưng luyện (5) nhờ đĩa tiếp liệu, trong tháp hơi đi từ dưới lên
gặp chất nỏng đi từ trên xuống, nhiệt độ và nồng độ các cấu tử thay đổi theo chiều cao
của tháp. Vì vậy hơi từ đĩa phía dưới lên đĩa phía trên, các cấu tử có nhiệt độ sôi cao
(C7H8) sẽ được ngưng tụ lại và cuối cùng trên đỉnh ta thu được hỗn hợp gồm hầu hết
các cấu tử dễ bay hơi (C6H6). Hơi đó đi vào thiết bị ngưng tụ hồi lưu (6), ở đây nó
được ngưng tụ lại.
Một phần chất lỏng đi qua thiết bị làm lạnh (7) để làm lạnh đến nhiệt độ cần
thiết rồi đi vào thùng chứa sản phẩm đỉnh (8), một phần khác hồi lưu về tháp ở đĩa trên
cùng.
Chất lỏng đi từ trên xuống gặp hơi có nhiệt độ cao hơn, một phần cấu tử có
nhiệt độ sôi thấp được bốc hơi và do đó nồng độ cấu tử khó bay hơi trong chất lỏng
ngày càng tăng và cuối cùng ở đáy tháp ta thu dược hỗn hợp lỏng gồm hầu hết là cấu
tử khó bay hơi. Chất lỏng đi ra khỏi tháp được làm lạnh rồi đi vào thùng chứa sản
phẩm đáy (10). Như vậy với thiết bị làm việc liên tục thì hỗn hợp đầu được đưa vào
liên tục và sản phẩm cũng được tháo ra liên tục.

-Tháp chóp
Ưu điểm : hiệu suất truyền khối cao , ổn định , ít tiêu hao năng lượng hơn nên
có số mâm ít hơn
Nhược điểm : chế tạo phức tạp , trở lực lớn
GVHD:Th.S NGUYỄN XUÂN CẢNH
Đồ án môn Quá trình thiết bị

Page 10

Nguyễn thị Hà Trang
Mã sv:0941120201
Lớp DHCNH3-K9


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

Khoa Công Nghệ Hoá

3 . Các kí hiệu trước khi tính:
 Giả thiết
+ Số mol pha hơi đi từ dưới lên là bằng nhau trong tất cả mọi tiết diện của
tháp.
+ Số mol chất lỏng không thay đổi theo chiều cao đoạn chưng và đoạn luyện.
+ Hỗn hợp đầu đi vào tháp ở nhiệt độ sôi.
+ Chất lỏng ngưng tụ trong thiết bị ngưng tụ có thành phần bằng thành phần
của hơi đi ra ở đỉnh tháp.
+ Cấp nhiệt ở đáy tháp bằng hơi đốt gián tiếp.
 Yêu Cầu thiết bị:
F: Năng suất thiết bị tính theo hỗn hợp đầu. F = 10000(kg/h)
Lượng sản phẩm đỉnh p=1 tấn/h
Thiết bị làm việc ở áp suất thường
Tháp chưng loại: tháp chóp
 Điều kiện:
aF : Nồng độ C6H6 trong hỗn hợp đầu = 0,2(phần khối lượng)
aP: Nồng độ C6H6 trong sản phẩm đỉnh = 0, 97(phần khối lưọng)
MA: Khối lượng phân tử của C6H6 = 78(kg/kmol)
MB: Khối lượng phân tử của C6H5 -CH3= 92(kg/kmol)

GVHD:Th.S NGUYỄN XUÂN CẢNH
Đồ án môn Quá trình thiết bị

Page 11

Nguyễn thị Hà Trang
Mã sv:0941120201
Lớp DHCNH3-K9


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

Khoa Công Nghệ Hoá

PHẦN II. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH
I. TÍNH CÂN BẰNG VẬT LIỆU TOÀN THIẾT BỊ
1. Tính toán cân bằng vật liệu:
D,yD

F,xF

D0

L0

DU

LU

P,xP

W,xW

(sơ đồ hệ thống tháp chưng)
Hỗn hợp đầu vào F(C6H6 và C6H5 -CH3)được tách thành sản phẩm đỉnh P(C6H6) và sản
phẩm đáy W(C6H5 -CH3) ở đĩa trên cùng có một lượng lỏng hồi lưu, ở đáy tháp có thiết
bị đun sôi, lượng hơi đi ra đỉnh tháp là D.
+ Theo phương trình cân bằng vật liệu cho toàn tháp:
F=P+W
+ Phương trình cân bằng vật liệu cho riêng cấu tử dễ bay hơi (C6H6):
F.aF = P.aP + W.aW

GVHD:Th.S NGUYỄN XUÂN CẢNH
Đồ án môn Quá trình thiết bị

Page 12

Nguyễn thị Hà Trang
Mã sv:0941120201
Lớp DHCNH3-K9


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

Khoa Công Nghệ Hoá

Đổi nồng độ phần khối lượng sang phần mol

Áp dụng công thức:

x=
→ xF = = = 0,23phần mol
xP = = =0,97phần mol
F=P+W
=>W=F-P=9000 (kg/h) mà 10000.0,2=0,97.100+W.aw
=>W.aw =1030  aw =

=0,11

=> xW = = = 0,13 phần mol
Đổi lượng F , P , W ra (kmol/h):
GF = F’ = \f(F, = = 112,638(kmol/h)
GP =P’ = \f(P, = = 12,752(kmol/h)
GW =W’ = \f(W, = = 99,800(kmol/h)
2. Xác định số bậc thay đổi nồng độ (số đĩa lý thuyết)
2.1 Xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu
Dựng đường cân bằng theo số liệu đường cân bằng tra ở đường cân bằng lỏng- hơi và
nhiệt độ sôi của 2 cấu tử ở 760 mmHg ( tính theo % số mol ) của benzen-toluen ( Bảng
IX. 2a_ 145_STQTTB tập II )

x%

0

5

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

y%

0

11,8

21,4

38

51,5

61,9

71,2

79

85,4

91

95,9

100

t0C

110,6

108,3

106,1

102,2

96,6

95,2

92,1

89,4

86,8

84,4

82,3

80,2

-Đồ thị đường cân bằng lỏng hơi:
GVHD:Th.S NGUYỄN XUÂN CẢNH
Đồ án môn Quá trình thiết bị

Page 13

Nguyễn thị Hà Trang
Mã sv:0941120201
Lớp DHCNH3-K9


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

Khoa Công Nghệ Hoá

42.4221

Vẽ đồ thị đường cân bằng lỏng hơi x _ y :

- Từ xF kẻ đường thẳng song song với trục y và cắt đường cân bằng
tại A. từ A kẻ đường song song với trục x cắt trục y tại B . Xác định trên đồ thị
có y*F=0.424

-Áp dụng công thức :
=>

Rmin =
Rmin = = 2.814

-Xác định chỉ số hồi lưu làm việc:

(Rx)

Vấn đề chọn chỉ số hồi lưu thích hợp rất quan trọng, vì khi chỉ số hồi lưu bé thì số
bậc của tháp lớn hơn nhưng tiêu tốn lượng hơi đốt ít, ngược lại khi chỉ số hồi lưu lớn
thì số bậc tháp ít hơn nhưng tiêu tốn hơi đốt lớn
Rth : chỉ số hồi lưu thích hợp được tính theo tính chất thể tích tháp nhỏ nhất
Nlt : số bậc thay đổi nồng độ ( số đĩa lý thuyết )
→ Chỉ số hồi lưu thích hợp

Rx = β. Rmin

β : hệ số hiệu chỉnh ( 1,2 → 2,5 )
Ứng với mỗi giá trị R > R min, ta dựng một đường làm việc tương ứng và tìm được một
giá trị Nlt
+ β = 1,2 → Rx = 3.377.Số đĩa lý thuyết Nlt=11

GVHD:Th.S NGUYỄN XUÂN CẢNH
Đồ án môn Quá trình thiết bị

Page 14

Nguyễn thị Hà Trang

Mã sv:0941120201
Lớp DHCNH3-K9


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

Khoa Công Nghệ Hoá

β = 1,4→ Rx = 3.9396. Số đĩa lý thuyết Nlt=9

+ β = 1,6→ Rx = 4.502. Số đĩa lý thuyết Nlt= 9

GVHD:Th.S NGUYỄN XUÂN CẢNH
Đồ án môn Quá trình thiết bị

Page 15

Nguyễn thị Hà Trang
Mã sv:0941120201
Lớp DHCNH3-K9


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

Khoa Công Nghệ Hoá

+ β = 1,8→ Rx = 5.065. Số đĩa lý thuyết Nlt= 8

+ β = 2,0→ Rx = 5.628. Số đĩa lý thuyết Nlt=8

+ β = 2,2→ Rx = 6.1908. Số đĩa lý thuyết Nlt= 7

GVHD:Th.S NGUYỄN XUÂN CẢNH
Đồ án môn Quá trình thiết bị

Page 16

Nguyễn thị Hà Trang
Mã sv:0941120201
Lớp DHCNH3-K9


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

Khoa Công Nghệ Hoá

+ β = 2,4→ Rx = 6.754. Số đĩa lý thuyết Nlt= 7

+ β = 2,5→ Rx = 7.035. Số đĩa lý thuyết Nlt= 7

Từ các đồ thị trên ta có bảng sau:
GVHD:Th.S NGUYỄN XUÂN CẢNH
Đồ án môn Quá trình thiết bị

Page 17

Nguyễn thị Hà Trang
Mã sv:0941120201
Lớp DHCNH3-K9

Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

Khoa Công Nghệ Hoá

Với
ß
1.2
1.4
1.6
1.8
2
2.2
2.4
2.5

Rmin
2.814
2.814
2.814
2.814
2.814
2.814
2.814
2.814

Rx
3.3768
3.9396
4.5024

5.0652
5.628
6.1908
6.7536
7.035

B
0.2216
0.1964
0.1763
0.1599
0.1463
0.1349
0.1251
0.1207

Nlt
11
9
9
8
8
7
7
7

Nlt(Rx+1)
48.1448
44.4564
49.5216

48.5216
53.024
50.3356
54.2752
56.245

Ta thấy Rx =3.9396 có Nlt.(Rx+1) giá trị nhỏ nhất ( thể tích tháp nhỏ nhất )
→ Rth = 3.9396
2.2 Phương trình làm việc của đoạn luyện :

- Phương trình cân bằng vật liệu
D0 = L0 + P
Trong đó : D0 : lượng hơi đi từ dưới lên
L0 : lượng lỏng hồi lưu đi từ trên xuống
- Phương trình cân bằng vật liệu cho cấu tử dễ bay hơi là:
D0.y = L0.x+ P.xP
( L0 + P).y = L0.x+ P.xP
(1)
L0
 Rx
Đặt P
:chỉ số hồi lưu

Biến đổi phương trình (1) theo Rx ta được:
�y

Rx
1
x
xP

Rx  1
Rx  1

Với :
y : nồng độ phần mol cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi đi từ dưới lên.
x : nồng độ phần mol cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng chảy từ đĩa xuống.
Rx : chỉ số hồi lưu.
GVHD:Th.S NGUYỄN XUÂN CẢNH
Đồ án môn Quá trình thiết bị

Page 18

Nguyễn thị Hà Trang
Mã sv:0941120201
Lớp DHCNH3-K9


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

Khoa Công Nghệ Hoá

Thay số vào ta có :
yl =
→ yl = 0,7976x + 0,1964
2.3 Phương trình làm việc đoạn chưng:

- Phương trình cân bằng vật liệu:
Du = Lu –w
- Phương trình cân bằng vật liệu cho cấu tử dễ bay hơi:
Du.y = Lu.x – w.xw

(Lu – w).y = Lu.x – w.xw
Mà

�Lu  L0  F '  L0  P ' w
�
�w  F ' P '

Thay vào ta có : (P’+ L0).y= (F’+L0).x – (F’-P’).xw
�y

Đặt :

R

L0
P'

�y

,

L0  F '
F ' P '
x
xw
L0  P '
L0  P '

f 

F'
P'

R f
f 1
x
xw
R 1
R  1 (2)

Trong đó:
f = = = 8,833
Thay vào biểu thức số(2) với xw=0,13 ta có :
yc =
→ yc = 2,5858x – 1,5858

2.4 Số đĩa lý thuyết :

Với Rth = 3,9396 dựa vào đường cân bằng và đường làm việc, ta xác định số đĩa lý
thuyết : Nlt = 9
Trong đó

Số đĩa đoạn chưng =7

GVHD:Th.S NGUYỄN XUÂN CẢNH
Đồ án môn Quá trình thiết bị

Page 19

Nguyễn thị Hà Trang

Mã sv:0941120201
Lớp DHCNH3-K9


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

Khoa Công Nghệ Hoá

Số đĩa đoạn luyện =2

II-TÍNH ĐƯỜNG KÍNH THÁP :
Đường kính của tháp được xác định theo công thức:

D=0,0188.

m

(181-2)

gtb: lượng hơi đi trong tháp( lượng trung bình)

Kg/h
Kg/m3

: khối lượng riêng trung bình

y

Kg/m2.s

wy: tốc độ hơi đi trung bình trong tháp

Vì lượng hơi và lượng lỏng thay đổi theo chiều cao mỗi đoạn nên ta phải tính
lượng hơi trung bình cho từng đoạn

gđ

G
F
xF
g1, y1

GR

GP
xP

G1
x1 = xF

G1’, y1’ = yW

GW
xW
1. Tính lưu lượng các dòng pha đi trong tháp: (có thể hiểu rằng P’=Gp)
1.1 Xác định lưu lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện:
Lượng hơi trung bình đi trong tháp chưng luyện có thể tính gần đúng bằng trung bình cộng
của lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp và đĩa dưới cùng của đoạn luyện

gtb =

gtb: lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện [ kmol/ h ]
GVHD:Th.S NGUYỄN XUÂN CẢNH
Đồ án môn Quá trình thiết bị

Page 20

Nguyễn thị Hà Trang
Mã sv:0941120201
Lớp DHCNH3-K9


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

Khoa Công Nghệ Hoá

gđ: lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp [kmol/ h]
g1: lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện [ kmol/ h]
+Lượng hơi ra khỏi đỉnh tháp: gđ = GR + GP = GP.(Rx +1)
Với:
GP: lượng sản phẩm đỉnh [ kmol/h ]
GR: lượng chất lỏng hồi lưu [ kmol/ h ]
Rx: chỉ số hồi lưu thích hợp
Thay số ta được:
gđ = GR + GP = GP.(Rx +1)=12,752(3,9396+1)
=62,9898(kmol/h)
+Lượng hơi đi vào đoạn luyện
Lượng hơi g1, hàm lượng hơi y1 và lượng lỏng G1 đối với đĩa thứ nhất của đoạn luyện được
xác định theo phương trình cân bằng vật liệu: Phương trình cân bằng vật liệu đối với cấu

tử dễ bay hơi:

g 1 = G1 + GP

(1)

Phương trình cân bằng vật liệu đối với cấu tử dễ bay hơi:
g1.y1 = G1 + GP

(2)

Phương trình cân bằng nhiệt lượng:
g1. r1 = gđ.rđ

( 3)

Ta có hệ phương trình:

Trong đó r1: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa
rđ: ẩn nhiệt hóa hơi của cấu tử hỗn hợp hơi ra đỉnh tháp
x1 = xF = 0,23 phần mol.

yđ= xP= 0,97 phần mol.
Từ bảng cân bằng lỏng hơi và nhiệt độ của hỗn hợp 2 cấu tử C 6H6 và C7H8 ở 1at (IIt2  t1
(x F  x1 )  t1
146) :tF = x2  x 1
(a)
x%
x%

x1
20

GVHD:Th.S NGUYỄN XUÂN CẢNH
Đồ án môn Quá trình thiết bị

xF
23
Page 21

x2
30
Nguyễn thị Hà Trang
Mã sv:0941120201
Lớp DHCNH3-K9


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội
t0 C
t0 C

t1
102,2

Khoa Công Nghệ Hoá
tF
?

t2
96,6

Ta sử dụng công thức nội suy (a) nhiệt độ sôi của hỗn hợp đầu là tF = 100,52 0C

r1 = rA.y1 + (1–y1).rB
rđ = rA.yđ + (1–yđ).rB
Với

rA : ẩn nhiệt hóa hơi của cấu tử nguyên chất toluen
rB : ẩn nhiệt hóa hơi của cấu tử nguyên chất benzen

Bảng cân bằng lỏng hơi của C6H6 và C7H8 cần nội suy và từ
tF = 100,52oC tra bảng I.212- STQTQB T1-trang 254 và trang 256:
t0 C
T
R
rA=rbenzen
rA=rtoluen

t1
100
r1
90,5
88

tF
100,52
rx
rA=rbenzen=?
rA=rtoluen =?

t2
140
r2

82,6
82,1

Sử dụng công thức nội suy tìm ẩn nhiêt hóa hơi cho C6H6 và : C7H8
r2  r1
(tF  t1 )  r1
t

t
rx= 2 1
(b)

Áp dụng công thức nội suy (b)cho C6H6 và C7H8 ta có :
rA =90,3793 (kcal/kg)
rB =91,6034(kcal/kg)
→ rA =90,3973(kcal/kg).M C6H6 =7050,9894 (kcal/kmol)
→ rB =91,6034(kcal/kg).MC7H8=8088,9436(kcal/kmol)
Thay giá trị rA và rB vào biểu thức r1 ta có → r1 = rA.y1 + (1–y1).rB =(rA- rB)y1+ rB
=7050,989.y1 + 8088,944.(1– y1) = 8088,944-1037,954y1

x%
x%
t0 C
t0 C

Tính rđ:
x1
90
t1
82,3

GVHD:Th.S NGUYỄN XUÂN CẢNH
Đồ án môn Quá trình thiết bị

xP
97
tP
?

Page 22

x2
100
t2
80,82

Nguyễn thị Hà Trang
Mã sv:0941120201
Lớp DHCNH3-K9


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

Khoa Công Nghệ Hoá

Nhiệt độ sôi của hỗn hợp đỉnh (yđ = xP = 0,97): Từ bảng thành phần cân bằng lỏnghơi (C6H6 và C7H8) ở 1at bảng IX2a (II-145), nội suy theo công thức (a) trang 28(với
tF thay bằng tP) ta có:
t2  t1
(x P  x1 )  t1
x


x
2
1
tP =

t = 82,3 +. (97-90) = 80,83 oC
Nội suy theo bảng r – to (I-254) với to = 80,83C:
t0 C

t1

tP

t2

T
R

60

80,83

100

r1

rx

r2

rA=rc6h6
rA=rC7H8

97,5
92,8

rA=rC6H6=?
rA=rC7H8 =?

90,5
88

-Áp dụng công thức nội suy (b) cho C6H6 - C7H8 (thay tF bằng tP) ta có :
r2  r1
(t P  t1 )  r1
t2  t 1

→r=93,855(kcal/kg).MC6H6=7320,69 (kcal/kmol)
→r=90,3004(kcal/kg).MC7H8= 8307,6368(kcal/kmol)
 rđ = rA . yđ + rB (1 – yđ) =7320,69. 0,97+8307,6368 .(1-0,97)
= 7350,298(kcal/kmol)

Thay các giá trị tính được vào hệ (1) (2) (3)
�g1  G1  GP
�
�g1. y1  G1 .x1  GP .xP
�g .r  g .r
�1 1
d d

g1=G1+12,752
g1y1=G1.0,23+12,752.0,97
g1.(8088,944-1037,954y1)=7350,298.62,9898

GVHD:Th.S NGUYỄN XUÂN CẢNH
Đồ án môn Quá trình thiết bị

Page 23

Nguyễn thị Hà Trang
Mã sv:0941120201
Lớp DHCNH3-K9


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

Khoa Công Nghệ Hoá

G1=47,474(Kmol/h)
Giải hệ → g1 =60,226(kmol/h)
y1=0,3867(phần mol)

Thay y1 = 0,3867 vào r1 :
r1 = -1037,954 y1 +8088,944=7687,5672(kcal/kmol)
Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện là :
gtbL =

= = 61,6079( kmol / h )

Lượng lỏng trung bình đi trong đoạn luyện là :
GtbL = = = 48,8559( kmol/ h)
1.2 Lượng hơi trung bình trong đoạn chưng : (có thể hiểu rằng W’=Gw)
g’tb =

F

Trong đó :
: lượng hơi đi ra khỏi đoạn

g’x

chưng ( kmol/ h )

G1, x1

: lượng hơi đi vào đoạn chưng

g’1

( kmol/ h )

Vì lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đoạn luyện W.
= gxw
1 , nên ta có
thể viết : gtb =
Phương trình cân bằng vật liệu :

G1�
 g1�

 Gw

( 1’ )

Phương trình cân bằng vật liệu với cấu tử dễ bay hơi :

G1��
.xn  g1�
. yW  GW .xW

( 2’)

Phương trình cân bằng nhiệt lượng :
g’1 . r’1 = g1 . r1 (3’)

GVHD:Th.S NGUYỄN XUÂN CẢNH
Đồ án môn Quá trình thiết bị

Page 24

Nguyễn thị Hà Trang
Mã sv:0941120201
Lớp DHCNH3-K9


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

Khoa Công Nghệ Hoá

Lượng hơi đi vào đoạn chưng, lượng lỏng G’ 1 và hàm lượng lỏng x’1 được xác định

theo hệ phương trình cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng như sau :
G’1 = g’1 + GW

( 1’ )

G’1 . x’1 = g’1 . yW + GW . xW ( 2’)
g’1 . r’1 = g1 . r1 (3’)
Trong đó :
r’1: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng.
xW: thành phần cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy.
r1: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa trên cùng của đoạn chưng.
Ta có : GW = 99,8 (kmol/ h)
xW = 0,13 (phần mol)
-

Tính r1

Ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa trên cùng đoạn chưng bằng ẩn nhiệt hóa hơi
đi vào đoạn luyện → r1 = 7687,5672 (kcal/kmol)
-Tính r’1
r’1 = rA. y’1 + ( 1 – y’1 ) . rB
rA, rB : ẩn nhiệt hóa hơi của cấu tử nguyên chất ở to = tW
r’1 : ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp ra khỏi đoạn chưng
y’1 = yW xác định theo đường cân bằng ứng với x W = 0,0124 nội suy theo bảng cân
bằng lỏng hơi
X
x%
t0 C
0

t C

x1
10
t1
106,1

xw
13

tw
tw =?

x2
20
t2
102,2

t2  t1
(x P  x1 )  t1
x

x
2
1
Ta có : tw=

Áp dụng công thức nội suy trên ta có
→ tw = 104,93oC
ta được tW = 116,0912 oC và

GVHD:Th.S NGUYỄN XUÂN CẢNH
Đồ án môn Quá trình thiết bị

Page 25

Nguyễn thị Hà Trang
Mã sv:0941120201
Lớp DHCNH3-K9