tính toán thiết kế hệ thống thiết bị chưng cất hoạt động liên tục để chưng cất hỗn hợp metanol – nước

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

ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG THIẾT BỊ CHƯNG
CẤT HOẠT ĐỘNG LIÊN TỤC ĐỂ CHƯNG CẤT HỖN
HỢP METANOL – NƯỚC

Giảng viên hướng dẫn :
Sinh viên thực hiện

:

Lớp

:

Khoá

:

Ths. BÙI TẤN NGHĨA
DHH07BLT


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

ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG THIẾT BỊ CHƯNG
CẤT HOẠT ĐỘNG LIÊN TỤC ĐỂ CHƯNG CẤT HỖN
HỢP METANOL – NƯỚC

GVHD : Ths. BÙI TẤN NGHĨA
SVTH :
Lớp

: DHHO7BLT

Khoá

:


TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

Độc lập – Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN HỌC PHẦN
Họ và tên sinh viên:
Lớp: DHHO7BLT
Chuyên ngành: Công nghệ Hóa hữu cơ
Tên đồ án: Tính toán thiết kế hệ thống thiết bị chưng cất hoạt động liên tục, để chưng
cất hỗn hợp Methanol – Nước với năng suất 2500 kg/h theo nhập liệu.
Nhiệm vụ của đồ án: Số liệu ban đầu và nội dung:

-

Số liệu ban đầu:
1. Nồng độ Methanol trong nhập liệu (khối lượng): 15%.
2. Nồng độ Methanol trong sản phẩm đỉnh (khối lượng): 90%.
3. Nồng độ Methanol trong sản phẩm đáy (khối lượng): 3%.
4. Thiết bị loại: Tháp mâm chóp, áp suất làm việc 1,5 at, trao đổi nhiệt.
- Nội dung: Mở đầu, vẽ và thuyết minh quy trình công nghệ, tính toán công nghệ
thiết bị chính, tính kết cấu thiết bị chính, tính và chọn thiết bị phụ, kết luận, tài liệu
tham khảo, phụ lục.
Ngày giao đồ án:
Ngày hoàn thành đồ án:
Họ tên giáo viên hướng dẫn:
Chủ nhiệm bộ môn


GVHD: Ths. Bùi Tấn
Nghĩa

LỜI MỞ ĐẦU
Công nghệ hóa học là một trong những ngành đóng góp rất lớn trong sự phát triển của
nền công nghiệp nước ta. Trong ngành sản xuất hóa chất cũng như sử dụng sản phẩm
hóa học, nhu cầu sử dụng nguyên liệu có độ tinh khiết cao phải phù hợp với qui trình
sản xuất hoặc nhu cầu sử dụng.
Ngày nay, các phương pháp được sử dụng để nâng cao độ tinh khiết là: chưng cất, trích
ly, cô đặc, hấp thu … Tùy theo đặc tính sản phẩm mà ta lựa chọn phương pháp thích
hợp. Hệ Methanol – nước là 2 cấu tử tan lẫn hoàn toàn, ta dùng phương pháp chưng cất
để nâng cao độ tinh khiết cho Methanol.
Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị là một môn học mang tính tổng hợp trong quá
trình học tập của các kỹ sư hoá tương lai. Môn học giúp sinh viên giải quyết nhiệm vụ

tính toán cụ thể về: yêu cầu công nghệ, kết cấu, giá thành của một thiết bị trong sản
xuất hoá chất - thực phẩm. Đây là bước đầu tiên để sinh viên vận dụng những kiến
thức đã học của nhiều môn học vào giải quyết những vấn đề kỹ thuật thực tế một cách
tổng hợp.
Em chân thành cảm ơn Thầy Bùi Tấn Nghĩa và các Quí Thầy Cyô bộ môn Máy &
Thiết Bị đã giúp em hoàn thành đồ án này. Tuy nhiên, trong quá trình hoàn thành đồ án
vẫn không tránh khỏi có sai sót, em rất mong quí thầy cô góp ý, chỉ dẫn.
Nhóm em xin cám ơn Quý Thầy Cô!


GVHD: Ths. Bùi Tấn
Nghĩa

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
Phần đánh giá:
• Ý thức thực hiện:...............................................................................................
• Nội dung thực hiện:...........................................................................................
• Hình thức trình bày:..........................................................................................
• Tổng hợp kết quả:.............................................................................................

Điểm bằng số:....................................Điểm bằng chữ:.......................................
Tp. Hồ Chí Minh, ngày ..... tháng ..... năm
Giáo viên hướng dẫn


GVHD: Ths. Bùi Tấn
Nghĩa

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
Phần đánh giá:
• Ý thức thực hiện:...............................................................................................
• Nội dung thực hiện:...........................................................................................
• Hình thức trình bày:..........................................................................................
• Tổng hợp kết quả:.............................................................................................
Điểm bằng số:....................................Điểm bằng chữ:.......................................
Tp. Hồ Chí Minh, ngày ..... tháng ..... năm
Giáo viên phản biện


GVHD: Ths. Bùi Tấn

Nghĩa

MỤC LỤC
PHẦN 1: MỞ ĐẦU.......................................................................................................1
PHẦN 2: TÍNH CÔNG NGHỆ......................................................................................7
Chương 1: TÍNH SỐ ĐĨA.................................................................................................................... 8
1.1. Tính lượng hỗn hợp:....................................................................................................................8
1.2 Xác định số đĩa của tháp..............................................................................................................9
Chương 2: TÍNH ĐƯỜNG KÍNH THIẾT BỊ.......................................................................................15
2.1. Đường kính đoạn luyện:............................................................................................................15
2.2. Đường kính đoạn chưng:..........................................................................................................20
Chương 3: CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG........................................................................................... 24
3.1. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu:......................................................24
3.2. Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện:..........................................................................26
3.3. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tu hồi lưu:................................................................28
3.4. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh:.............................................................................29
Chương 4: TÍNH KẾT CẤU CỦA THÁP CHƯNG LUYỆN.................................................................31
4.1. Kết cấu dĩa phần luyện:.............................................................................................................31
4.2. Kết cấu đĩa đoạn chưng :..........................................................................................................34

PHẦN 3: TÍNH CƠ KHÍ THIẾT BỊ CHÍNH...............................................................38
I. Tính thân thiết bị chính:................................................................................................................. 38
II. Tính đáy và nắp thiết bị:............................................................................................................... 41
III. Tính bề dày lớp cách nhiệt:......................................................................................................... 42
IV. Tính đường kính các loại ống dẫn:..............................................................................................43
V. Chọn bích:.................................................................................................................................... 45
VI. Tính tải trọng của tháp:............................................................................................................... 47
VII. Chọn tai treo, chân đỡ:............................................................................................................... 49

PHẦN 4: TÍNH THIẾT BỊ PHỤ..................................................................................51

I. Tính toán thiết bị ngưng tụ hồi lưu:................................................................................................ 51
II. Thiết bị gia nhiệt nhập liệu:........................................................................................................... 55
III. Nồi đun:....................................................................................................................................... 58
7.Điều kiện nhiệt độ của quá trình:................................................................................................... 58
Dòng nóng : 109,36oC → 109,36oC................................................................................................58
IV. Thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh:.................................................................................................60
V. Tính và chọn bơm:....................................................................................................................... 63


GVHD: Ths. Bùi Tấn
Nghĩa
PHẦN 5: KẾT LUẬN..................................................................................................68


GVHD: Ths. Bùi Tấn
Nghĩa

PHẦN 1: MỞ ĐẦU
I.

Lý thuyết về chưng luyện

Chưng là phương pháp dùng để tách các hỗn hợp chất lỏng cũng như các hỗn hợp
khí lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử
trong hỗn hợp, nghĩa là khi ở cùng một nhiệt độ thì áp suất hơi của các cấu tử khác
nhau.
Khi chưng ta thu được nhiều sản phẩm và thường bao nhiêu cấu tử sẻ có bấy nhiêu
sản phẩm. Đối với trưòng hợp hỗn hợp chưng chỉ gồm hai cấu tử thì sản phẩm đỉnh
gồm cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi bé còn sản
phẩm đáy gồm cấu tử có độ bay hơi bé và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi lớn.

Trong sản xuất có rất nhiều phương pháp chưng như chưng đơn giản, chưng bằng
hơi nước trực tiếp, chưng chân không và chưng luyện. Tùy thuộc vào điều kiện sẵn
có, tính chất hỗn hợp, yêu cầu về độ tinh khiết sản phẩm mà ta chọn phương pháp
chưng cho thích hợp.
-

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 và làm sạch cấu tử
khỏi tạp chất.

-

Chưng bằng hơi nước trực tiềp dùng tách các hỗn hợp gồm các chất khó bay
hơi và tạp chất không bay hơi, thường dùng trong trường hợp chất được tách
không tan vào nước

-

Chưng chân không dùng trong trường hợp cần hạ thấp nhiệt độ sôi cấu tử. Ví
dụ như trường hợp các cấu tử trong hỗn hợp dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao
hay trường hợp các cấu tử có nhiệt độ sôi quá cao.

-

Chưng luyện là phương pháp phổ biến nhất 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.

SVTH: Đinh Hoàng Thảo
Lê Nhật Tân

1


GVHD: Ths. Bùi Tấn
Nghĩa
-

Chưng luyện ở áp suất thấp dùng cho các hỗn hợp dễ bị phân hủy ở nhiệt độ
cao và hỗn hợp có nhiệt độ sôi cao.

-

-

Chưng luyện ở áp suất cao dùng cho các hỗn hợp không hóa lỏng ở áp suất
thường.
Chưng luyện ở áp suất thường (áp suất khí quyển ) dùng cho hỗn hợp không
thuộc các trường hợp trên.

Người ta tiến hành chưng luyện hỗn hợp cần chưng trong tháp chưng luyện, tháp
gồm nhiều đĩa, trên mỗi đĩa xảy ra quá trình chuyển khối giữa pha lỏng và pha hơi.
Hơi đi từ dưới lên qua các lổ của đĩa, lỏng đi từ trên xuống theo các ống chảy
chuyền, nồng độ các cấu tử và nhiệt độ sôi ở mỗi đĩa thay đổi theo chiều cao của
tháp. Do đó một phàn cấu tử dễ bay hơi chuyển từ pha lỏng vào pha hơi và một
phần ít hơn chuyển từ pha hơi vào pha lỏng, lặp lại nhiều lần bốc hơi và ngưng tụ
như thế, hay nói một cách khác, với một số đĩa tương ứng, cuối cùng ở trên đỉnh
tháp ta thu được cấu tử dễ bay hơi ở dạng nguyên chất và ở tháp ta thu được cấu tử
khó bay hơi ở dạng nguyên chất.
Quá trình chưng luyện được thực hiện trong thiết bị loại tháp làm việc liên tục hoặc
gián đoạn.

Ở đây ta sẽ thiết kế hệ thống chưng luyện tháp mâm chóp làm việc liên tục với hỗn
hợp chưng là rượu mêtylic và nước. Khi chưng luyện liên tục, hỗn hợp đầu được
đưa vào tháp ở đĩa tiếp liệu (nằm ở phần giữa thân tháp) một cách liên tục, sản phẩm
đỉnh và sản phẩm đáy cũng được lấy ra liên tục.
II.

Ưu, khuyết điểm của phương pháp chưng đĩa chóp:

Ưu điểm: Tách được sản phẩm có độ tinh khiết cao, dễ khống chế quá trình, bề mặt
tiếp xúc pha tương đối lớn, trở lực không cao.
Khuyết điểm: Tiếp xúc pha không liên tục, cấu tạo phúc tạp.
a. Tính chất lý hóa của rượu mêtylic
1.Tính chất lý học:

SVTH: Đinh Hoàng Thảo
2


GVHD: Ths. Bùi Tấn
Nghĩa
Rượu mêtylic là chất lỏng không màu, tan vô hạn trong nước có mùi vị đặc trưng,
rất độc, chỉ một lượng nhỏ xâm nhập vào cơ thể cũng có thể gây mù lòa, lượng lớn
gây tử vong.
-Nhiệt độ sôi ở áp suất khí quyển

t0s = 64,50C

- Khối lượng riêng ở 200C

ρ = 791,7 Kg/m3

-Độ nhớt ở 200C

µ = 0,6.103 N.s/m2 =0,6 cp

-Hệ số dẫn nhiệt ở 200C

λ = 0,179kcal/m.h.độ = 0,2082 W/m.độ

-Nhiệt dung riêng ở 200C

CP= 2570 J/kg.độ

-Nhiệt hóa hơi

r = 262,79 kcal/kg ở 64,50C

-Nhiệt độ nóng chảy

tnc= -97,80C

2.Tính chất hóa học:
Rượu mêtylic có công thức phân tử CH3OH

công thức cấu tạo
phân tử lượng: 32 đvC
Trong phân tử rượu mêtylic có 3 loại liên kết: C - H, C - O, O - H, trong đó hai liên
kết sau là liên kết cộng hóa trị phân cực, đó là do độ âm điện của O lớn hơn của C
và H nên trong cả hai liên kết đó cặp electron góp chung đều lệch về phía O làm cho
nguyên tử H trở nên linh động hơn. Rượu mêtylic có khả năng tham gia các phản

ứng sau:
-

Làm phá vỡ liên kết C-OH với sự tách đi của nhóm -OH

-

Làm phá vỡ liên kết -O-H với sự tách đi của -H.

-

Bị oxy hóa thành fomanđêhit:
CH3OH

+ CuO  HCHO

+ Cu

SVTH: Đinh Hoàng Thảo
3


GVHD: Ths. Bùi Tấn
Nghĩa
Rượu mêtylic được ứng dụng để sản xuất anđêhytfomic làm nguyên liệu cho công
nghệ chất dẻo.
b. Tính chất lý hóa của nước
-

Nước là chất lỏng không màu, không mùi, không vị.

-

Nhiệt độ sôi ở 760mmHg là 100oC.
-

Hóa lỏng ở 00C.

-

Khối lượng riêng ρ = 997,08 kg/m3 ở 250C.

-

Độ nhớt µ = 0,8937.103N.s/m2 = 893,7 Cp ở 250C

-

Nhiệt dung riêng CP = 0,99892 kcal/kg.độ ở 250C

-

Nhiệt hóa hơi ở áp suất khí quyển r = 540 kcal/kg

-

Nước có công thức phân tử H2O, công thức cấu tạo H-O-H

-

Nước là hợp chất phân cực mạnh, có thể hòa tan nhiều chất rắn, lỏng, khí

-

Nước cần thiết cho sinh hoạt hằng ngày, sản xuất nông nghiệp, công nghiệp,
xây dựng, giao thông vận tải.

-

III.

Nước dùng để điều chế oxy.
Dây chuyền công nghệ:

Thiết kế như hình vẽ.
Hỗn hợp đầu từ bể chứa 1 được bơm 2 bơm lên thùng cao vị 3 rồi theo ống dẫn qua
lưu lượng kế 5 (điều chỉnh lượng hỗn hợp đầu vào tháp) đến thiết bị đun sôi hỗn
hợp đầu 6. Sự có mặt của thùng cao vị đảm bảo cho lượng hỗn hợp đầu vào tháp
không dao động, trong trường hợp công suất bơm quá lớn hỗn hợp đầu sẽ theo ống
tuần hoàn 4 tràn về bể chứa hỗn hợp đầu. Thiết bị đun sôi 6 là thiết bị trao đổi nhiệt
ống chùm với tác nhân nóng là hơi nước bão hòa. Ra khỏi thiết bị đun sôi, hỗn hợp
đầu ở nhiệt độ sôi đi vào tháp 7 ở đĩa nạp liệu.

SVTH: Đinh Hoàng Thảo
4


GVHD: Ths. Bùi Tấn
Nghĩa
Sản phẩm đỉnh ở dạng hơi được ngưng tụ hoàn toàn khi đi qua thiết bị ngưng tụ 9

đến thiết bị phân tách hồi lưu 10, một phần sản phẩm đỉnh hồi lưu trở về đỉnh tháp,
phần còn lại đi vào thiết bị làm nguội 11 được làm lạnh và đi vào bể chứa sản phẩm
đỉnh 12.Thiết bị ngưng tụ 9 là thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm với tác nhân làm
nguội là nước lạnh. Thiết bị làm nguội 11 là thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống (tác
nhân làm nguội là nước lạnh).
Sản phẩm đáy đi ra khỏi tháp ở đáy được dẫn vào bể chứa sản phẩm đáy 13, được
làm nguội tự nhiên. Sản phẩm đáy ở đây là nước có chứa một ít metylic nên được
xủ lý rồi thải ra môi trường.
8 là lò đun.
14 là thiết bị bẫy hơi.

SVTH: Đinh Hoàng Thảo
5


GVHD: Ths. Bùi Tấn
Nghĩa

SVTH: Đinh Hoàng Thảo
6


GVHD: Ths. Bùi Tấn
Nghĩa

PHẦN 2: TÍNH CÔNG NGHỆ
Các ký hiệu sử dụng trong quá trình tính toán:
GF: lượng hỗn hợp đầu.
GD: lượng sản phẩm đỉnh.
GW: lượng sản phẩm đáy.

aF:

nồng độ phần khối lượng của cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp đầu.

aD:

nồng độ phần khối lượng của cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đỉnh.

aW: nồng độ phần khối lượng của cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy.
xF:

nồng độ phần mol cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp đầu.

xD: nồng độ phần mol cấu tử dễ bay hơi trong trong sản phẩm đỉnh.
xW: nồng độ phần mol cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy.
Cấu tử dễ bay hơi A: rượu metylic, cấu tử khó bay hơi B: nước.

SVTH: Đinh Hoàng Thảo
7


GVHD: Ths. Bùi Tấn
Nghĩa

Chương 1: TÍNH SỐ ĐĨA
1.1. Tính lượng hỗn hợp:
1. Nồng độ phần mol:
Tính F theo kmol/h:

Đổi nồng độ khối lượng ra nồng độ mol:

xA =

aA
MA
aA
a
+ B
MA MB

15 32
= 0,09
phần mol
15 32 + 85 18
90 32
• xD =
= 0,83
phần mol
90 32 + 10 18
3 32
• xW =
= 0,017 phần mol
3 32 + 97 18

• xF =

2. Lưu lượng hỗn hợp đầu và sản phẩm đáy:
Phương trình cân bằng vật liệu cho toàn tháp:
F = D + W

(Công thức 3.52, trg 117, [3])

 129,8 = W + D

(1)

Viết cho cấu tử dễ bay hơi:
F.xF = D.xD + W.xW


(Công thức 3.53, trg 117, [3])
(2)

Từ (1) và (2) suy ra:

SVTH: Đinh Hoàng Thảo
8


GVHD: Ths. Bùi Tấn
Nghĩa


Gọi M F là phân tử lượng trung bình của hỗn hợp đầu
M F = xF.MA + (1-xF).MB

= 0,09.32 + (1 – 0,09).18 = 19,26 (g)
1.2 Xác định số đĩa của tháp
1. Đường cong cân bằng - đồ thị t-x-y theo thực nghiệm:
Gọi x,y là nồng độ mol phần của thành phần lỏng và hơi của rượu mêtylic (tính theo

phần mol)
t (0C) là nhiệt độ sôi của hỗn hợp hai cấu tử (ở 760 mmHg).
Theo bảng IX.2a, trang 149, [2],ta có:
X 0

5

10

20

30

40

Y 0

26,8

41,8

57,9

66,5

T

92,3

87,7

81,7

78

100

50

60

70

80

90

100

72,9 77,9

82,5

87

91,5

95,8

100

75,3 73,1

71,2

69,3

67,6

66

64,5

Dựa vào bảng số liệu này ta vẽ đồ thị đường cong cân bằng của hỗn hợp rươụ
Metylic và nước (Hình 1) và đồ thị biểu diễn đường cong sôi (Hình 2).

SVTH: Đinh Hoàng Thảo
9


GVHD: Ths. Bùi Tấn
Nghĩa

Hình 1: Đồ thị đường cong cân bằng của hỗn hợp rượu Metylic và nước.

SVTH: Đinh Hoàng Thảo
10


GVHD: Ths. Bùi Tấn

Nghĩa

Hình 2: Đồ thị biểu diễn đường cong sôi
Theo đồ thị đường cân bằng ta xác định được y *F = 0,4 phần mol là nồng độ cấu tử
dễ bay hơi trong pha hơi cân bằng với pha lỏng trong hỗn hợp đầu ứng giá trị xF =
0,09.
Theo đồ thị đường cong sôi ta xác định được nhiệt độ sôi của hỗn hợp đầu t sF =88oC,
của sản phẩm đỉnh tsD = 67oC, của sản phẩm đáy tsW= 97oC.
a(%khối lượng)

x(phần mol)

y(phần mol)

Kmol/h

aF = 15

xF = 0,09

yF = 0,4

129,8

88

aD = 90

xD = 0,83

yD = 0,93

11,65

67

aw = 3

xw =0,017

yw = 0,09

118,14

97

Nhiệt độ sôi

Chỉ số hồi lưu thích hợp: ROPT
Rx = β.Rmin (Công thức IX.25, trg 158, [2])
β: hệ số hiệu chỉnh; β = (1,2 ÷ 2,5)

SVTH: Đinh Hoàng Thảo
11


GVHD: Ths. Bùi Tấn
Nghĩa
Rmin: chỉ số hồi lưư tối thiểu
Suy ra chỉ số hồi lưu tối thiểu là:

xP − y * F

Rxmin =

y * F − xF

(Công thức IX.24, trg 158, [2])

0,83 − 0,4
= 1,39
0,4 − 0,09

Rmin =

Để xác định số đĩa lý thuyết của tháp bằng cách dựa vào phương trình đường nồng
độ làm việc của đoạn luyện và đoạn chưng.
Phương trình làm việc của đoạn luyện
y=

R .x + x (Công thức IX.20, trg 144, [2])
R +1
R +1
D

th

th

th

Phương trình làm việc của đoạn chưng:
X=

R +1
L+ R
th

.y +

th

Với: L =

L −1

L+ R

.(Công thức IX.22, trg 158, [2])

th

F 129,8
= 1,7
=
D 11,65

Mà: ROPT = β.Rmin. Đặt B =

x

D

Rx + 1

ứng với mổi giá trị của β sẽ là một đĩa lý thuyết

N ở bảng sau
β
ROPT
N
N(R+1)
B

1,2
1,668
10
26,68
0,311

1,4
1,946
8,5
25,041
0,282

1,6
2,224
7,1
22,809
0,257

1,8
2,502
6,5
23,763
0,237

2,1
2,919
6,2
24,299
0,212

2,3
3,197
6
25,182
0,198

2,5
3,475
5,7
25,507
0,185

Lập biểu đồ biểu diển sự phụ thuộc N(R+1) và R . Điểm cực tiểu của giá trị N(R+1)
ứng với R thích hợp nhất là Rth= 2,224.
Tương ứng với Rth =2,224 thì số đĩa lý thuyết của tháp là 7,1 (đĩa) 3,6 đoạn luyện,
3,5 đoạn chưng.

SVTH: Đinh Hoàng Thảo
12


GVHD: Ths. Bùi Tấn
Nghĩa
2. Xác định số đĩa thực tế:
Số đĩa thực tế được xác định theo công thức:
Ntt =

N lt
(Công thức IX.59, trg 170, [2])
ηtb

Với µ tb là hiệu suất trung bình của thiết bị, là hàm của độ bay hơi tương đối α và
độ nhớt µ của hỗn hợp µ = f(α,η).
α=
Độ nhớt:

y 1− x
.
(Công thức IX.61, trg 171, [2])
1− y x

lgµhh = n.lgµ1 + (1-n)lgµ2

n là nồng độ cấu tử thứ nhất
n -1 là nồng độ cấu tử thứ hai
µ1, µ2 là độ nhớt hai cấu tử.
(Độ nhớt của rượu mêtylic theo nhiệt độ được tra ở bảng dùng cho toán đồ h.I.18,

trg 93, [2], độ nhớt của nước theo nhiệt độ được tra ở bảng I.102, trg 94, [2]).
η= ηtb =

1
.( η1 + η2 + η3 ) (Công thức IX.60, trg 171, [2])
3

Với η1 là hiệu suất ứng với đĩa trên cùng
η2 là hiệu suất ứng với đĩa tiếp liệu
η3 là hiệu suất ứng với đĩa cuối cùng
-

Ứng với đĩa tiếp liệu:
Độ bay hơi:
αF =

yF 1 − xF
0,4 1 − 0,09
.
=
.
= 6,741
1 − yF xF
1 − 0,4 0,09

Độ nhớt:

với tSF = 88oC
lgµF = xF lg µ CH 3OH + (1 − xF ). lg µ H 2 O
= 0,09.lg0,2521 + (1 - 0,09).lg0,3239 = -0,4994

=>

µF

= 0,3167 (Cp)

SVTH: Đinh Hoàng Thảo
13


GVHD: Ths. Bùi Tấn
Nghĩa
Tích µF.αF = 0,323.5,156 = 1,665. Tra đồ thị hình IX.11, trg 171, [2] ta được hiệu
suất của đĩa tiếp liệu η2 = 44 %.
-

Ứng với đĩa trên cùng:
Độ bay hơi:
αD =
Độ nhớt:

=>

y D 1 − xD
0,93 1 − 0,83
.
=
.
= 2,72

1 − yD xD
1 − 0,93 0,83

với tSD = 67oC
lgµD = xD lg µ CH 3OH + (1 − x D ). lg µ H 2O
= 0,83.lg0,3174 + (1 - 0,83).lg0,4233 = -0,4173
µD
= 0,3333 (Cp)

Tích µD.αD = 0,3333 . 2,72 = 0,24. Tra đồ thị hình IX.11, trg 171, [2], ta được
hiệu suất của đĩa trên cùng η1 = 71%.
-

Ứng với đĩa cuối cùng:
Độ bay hơi:
αW =
Độ nhớt:

=>

yw 1 − xw
0,09 1 − 0,017
.
=
.
= 5,72
1 − y w xw
1 − 0,09 0,017

với tSW = 97oC

lgµW = xw lg µ CH 3OH + (1 − xw ). lg µ H 2 O
= 0,017.lg0,23 + (1 - 0,017).lg0,293 = -0,5349
µW
= 0,292 (Cp)

Tích µD.αD = 0,292 . 5,72 = 1,69. Tra đồ thị hình IX.11, trg 171, [2], ta được hiệu
suất của đĩa trên cùng η3 = 42%.
Vậy hiệu suất trung bình:
ηtb =

1
1
(η1 + η2 + η3) = (71 + 42 + 40) = 51(%)
3
3

Số đĩa thực tế là:
Ntt =

N lt 7,1
= .100 = 13,9
η tb 51

Vậy thực tế phải chọn 13,9 đĩa, trong đó số đĩa đoạn chưng là 6,9 đĩa và số đĩa đoạn
luyện là 7 đĩa.
(yF , yP , yW được xác định từ đồ thị đường cân bằng hình 1)

SVTH: Đinh Hoàng Thảo
14

GVHD: Ths. Bùi Tấn
Nghĩa

Chương 2: TÍNH ĐƯỜNG KÍNH THIẾT BỊ
Đường kính tháp: (công thức IX.89, trg 181, [2])
4.Vtb
π .3600.ωtb

D=
Hoặc

D = 0,0188.

,m

g tb
( ρ y .ω y )tb

,m

Trong đó: Vtb - lượng hơi trung bình đi trong tháp, m3/h
ωtb - tốc độ hơi trung bình đi trong tháp, m/s
gtb - lượng hơi trung bình đi trong tháp, kg/h
(ρy.ωy)tb - tốc độ hơi trung bình đi trong tháp, kg/m2.s
2.1. Đường kính đoạn luyện:
1. Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện g tb: có thể xem gần đúng bằng
trung bình cộng lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp g đ và lượng hơi đi vào
dưới cùng g1 của đoạn luyện:
gtb =

g d + g1
, kg/h
2

Trong đó, gđ = GR +GP = GP(RX+1) (công thức IX.92, trg 181, [2]).
Với

GR: lượng lỏng hồi lưu, kg/h
GP: lượng sản phẩm đỉnh, kg/h
RX: chỉ số hồi lưu

=>

gđ = 344,83.(2,224+1) = 1111,73 kg/h

Lượng hơi đi vào đĩa đầu tiên của đoạn luyện được xác định theo hệ phương trình
cho ở trang 182 Sổ tay QTTB tập 2:
 g1 = G1 + GP

 g1. y1 = G1.x1 + GP .xP
 g .r = g .r
d d
 1 1

Trong đó x1 = aF = 0,15 (phần khối lượng)
xP = aP = 0,90 (phần khối lượng)

SVTH: Đinh Hoàng Thảo
15

GVHD: Ths. Bùi Tấn
Nghĩa
G1:lượng lỏng đĩa thứ nhất đoạn luyện
rđ: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi ra khỏi đỉnh tháp
r1: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất đoạn luyện
r1= ra .y1 + (1-y1).rb
rđ= ra .y1 + (1-yđ).rb
ra, rb: ẩn nhiệt hóa hơi của rượu metylic và nước.
yđ = aP = 0,90 phần khối lượng.
*Tính r1: hỗn hợp đầu vào tháp ở 88oC nên ta phải tính ra, rb ở 88oC.
(Theo bảng I.212, trg 254, [1]) ta có:
Ơ 60oC

ra1 = 265 kcal/kg
rb1 =579 kcal/kg

Ở 100oC

ra2 = 242 kcal/kg
rb2 = 539 kcal/kg

=>

∆ra = ra 2 − ra1 = −23 kcal/kg
∆rb = rb 2 − rb1 = −40 kcal/kg
∆t = t 2 − t1 = 100 − 60 = 40 o C

=>

∆ra
23
=−
= −0,575 kcal/kg.độ
∆b
40
∆rb
40
=−
= −1 kcal/kg.độ
∆t
40

Theo phương pháp nội suy ta tính ra, rb ở 88oC:

Vậy

ra88 = ra60 +

∆ra
.(88 − 60) = 265 − 0,575.28 = 248,9 kcal/kg
∆t

rb88 = rb60 +

∆rb
.(88 − 60) = 579 − 28 = 551 kcal/kg
∆t

r1 = ra.y1 +(1-y1).rb = 248,9.y1 + (1-y1).551
= 551 – 302,1.y1

*Tính rđ: hơi đi ra khỏi đỉnh tháp ở nhiệt độ 67oC, tương tự như trên:
ra67 = ra60 +

∆ra
(67 − 60) = 265 − 0,575.7 = 260,975 kcal/kg
∆t

SVTH: Đinh Hoàng Thảo
16


GVHD: Ths. Bùi Tấn
Nghĩa
rb67 = rb60 +
Vậy

∆rb
(67 − 60) = 579 − 7 = 572 kcal/kg
∆t

rđ = ra.yđ + (1- yđ).rb = 260,975.0,90 +(1-0,90).572
= 292,078 kcal/kg

 g1 = G1 + 344,83
 g . y = G .0,15 + 344,83.0,90
 1 1
1

Vậy ta có hệ phương trình : 
 g1 .r1 = 1111,73.292,078 = 324711,875

r1 = 551 − 302,1. y1
 y1 = 0,475( phan _ khoi _ luong )
r = 407,61kcal / kg
1
Giải hệ ta được : 
 g1 = 796,626kg / h

G1 = 451,796kg / h

-Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện:
gtb =

g d + g1 1111,73 + 796,626
=
= 954,178kg / h
2
2

-Lượng lỏng trung bình đi trong đoạn luyện:
Gtb =

GR + G1 GP .R X + G1 344,83.2,224 + 451,796
=
=
= 609,35kg / h
2
2

2

-Thành phần hơi cân bằng đi trên đoạn luyện:
ytb =

y d + y1 0,90 + 0,475
=
= 0,6875 phần khối lượng
2
2

=0,553 phần mol
-Phân tử lượng trung bình của hỗn hợp hơi:
M tb = ytb.MA +(1- ytb).MB = 0,553.32 + (1-0,553).18 = 25,742 đvC

2.Tốc độ hơi trung bình đi trong đoạn luyện:
(ρyωy)tb = 0,065ϕ[σ] . h.ρ xtb .ρ ytb , kg/m2. (Công thức IX.105, trg 184, [2]).
ρxtb, ρytb: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha hơi tính theo nhiệt độ
trung bình, kg/m3.
h: khoảng cách các đĩa trong tháp,m,với giá trị h được chọn theo đường kính tháp.
ϕ[σ] : hệ số tính đến sức căng bề mặt.

SVTH: Đinh Hoàng Thảo
17