Tiểu luận môn truyền khối

I. Giới thiệu chung về chưng cất và qui trình công nghệ
a) Phương pháp chưng cất Benzen – Toluen:
 Chưng cất là quá trình phân tách các hỗn hợp lỏng thành các cấu tử riêng biệt
dựa vào sự khác nhau về độ bay hơi của chúng ( hay nhiệt độ sôi ), bằng cách lặp đi lặp
lại nhiều lần quá trình bay hơi – ngưng tụ, trong đó vật chất đi từ pha lỏng vào pha hơi
hoặc ngược lại.
 Đối với chưng cất ta có hai phương pháp thực hiện :
-

Chưng cất đơn giản (dùng thiết bị hoạt động theo chu kỳ):
Phương pháp này sử dụng trong các trường hợp sau :

-

+

Khi nhiệt độ sôi của các cấu tử khác xa nhau .

+

Khi không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao .

+

Tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi .

+

Tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử .
Chưng cất liên tục hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục):

là quá trình được thực hiện liên tục, nghịch dòng, nhiều đoạn.
Ngồi ra còn có thiết bị hoạt động bán liên tục .
Trong trường hợp này, do sản phẩm là Benzen – với yêu cầu có độ tinh khiết cao khi
sử dụng , cộng với hỗn hợp Benzen - Toluen là hỗn hợp không có điểm đẳng phí nên chọn
phương pháp chưng cất liên tục là hiệu quả nhất.
b) Chọn loại tháp chưng cất:
Có nhiều loại tháp được sử dụng, nhưng đều có chung 1 yêu cầu cơ bản là diện tích
tiếp xúc pha phải lớn, đều này phụ thuộc vào độ phân tán của lưu chất này vào lưu chất
kia. Các loại tháp chưng cất gồm có:


Tháp mâm: - Mâm chóp
- Mâm xuyên lỗ
- Mâm van



Tháp đệm

Dựa vào những ưu khuyết điểm của các loại tháp, ta chọn được tháp mâm xuyên lỗ
để thực hiện quá trình chưng cất Benzen-Toluen vì:


-

Chế tạo đơn giản, rẻ tiền

-

Vệ sinh dễ dàng

-

Trở lực thấp hơn tháp mâm chóp

-

Với cùng 1 chức năng tổng khối lượng tháp mâm nhỏ hơn tháp chêm

-

Có thể lắp đặt ống xoắn giải nhiệt trên mâm khi cần thiết

-

Tháp mâm thích hợp trong trường hợp có số mâm lí thuyết hoặc số đơn vị
truyền khối lớn

-

Tính ổn định cao

-

Do Benzen và Toluen là những chất lỏng không có tính ăn mòn nên có thể dùng
tháp mâm xuyên lỗ

Sơ đồ qui trình công nghệ và thuyết minh qui trình công nghệ :
a.

Sơ đồ qui trình công nghệ:


3

Hơi không ngưng
Nước

8
15

14
P

T

Nước
T

9

6

Nước

10
5

7
T

Nước

11
Sản Phẩm Đỉ
nh
Hơi Nước
P

T

12

T

13
2

4

Sản Phẩm Đáy

Nước Lỏng

Nguyên Liệu

1

Sản Phẩm Đáy

Chú thích :
1. Bình chứa nguyên liệu

9. Bồn chứa sản phẩm đỉnh .

2. Bơm.

10. Thiết bị đun sôi đáy tháp .

3. Bồn cao vị .

11. Bẩy hơi .

4. Thiết bị gia nhiệt.

12. Bồn chứa nguyên liệu .

5. Lưu lượng kế .

13. Kênh phân phối .

6. Tháp chưng cất .

14. Van xả khí không ngưng.

7. Thiết bị ngưng tụ sản

15. Bồn chứa sản phẩm đáy.

phẩm đỉnh .
8. Thiết bị làm nguội sản
phẩm đỉnh .

16. Áp kế .
17. Nhiệt kế .


b.

Thuyết minh qui trình công nghệ :

Hỗn hợp benzen-Toluen có nồng độ Benzen 30% ( theo khối lượng) , nhiệt độ
khoảng 27 0C tại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3).
Từ đó được đưa đến thiết bị gia nhiệt (4). Ở đây, hỗn hợp được đun sôi đến nhiệt độ
sôi . Sau đó, hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất (7) ở đĩa nhập liệu.
Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn cất của tháp chảy
xuống. Trong tháp hơi, đi từ dưới lên gặp chất lỏng từ trên xuống. Ở đây, có sự tiếp
xúc và trao đổi giữa hai pha với nhau. Pha lỏng chuyển động trong phần chưng càng
xuống dưới càng giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi tạo nên từ nồi
đun (12) lôi cuốn cấu tử dễ bay hơi. Nhiệt độ càng lên trên càng thấp, nên khi hơi đi
qua các đĩa từ dưới lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao là nước sẽ ngưng tụ lại, cuối
cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử Benzen chiếm nhiều nhất (có
nồng độ 90% kg). Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ (8) và được ngưng tụ một phần
(chỉ ngưng tụ hồi lưu). Một phần chất lỏng ngưng đi qua thiết bị làm nguội sản
phẩm đỉnh (10), được làm nguội đến 30 0C, rồi được đưa qua bồn chứa sản phẩm
đỉnh (11). Phần còn lại của chất lỏng ngưng được hồi lưu về tháp ở đĩa trên cùng với
tỷ số hồn lưu tối ưu. Một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp được bốc hơi, còn lại cấu
tử có nhiệt độ sôi cao trong chất lỏng ngày càng tăng. Cuối cùng, ở đáy tháp ta thu
được hỗn hợp lỏng gồm hầu hết là cấu tử khó bay hơi Toluen. Hỗn hợp lỏng ở đáy

có nồng độ Benzen là 5% theo khối lượng, còn lại là Toluen.Dung dịch lỏng ở đáy
đi ra khỏi tháp, một phần được đun, bốc hơi ở nồi đun (12) cung cấp lại cho tháp để
tiếp tục làm việc, phần còn lại được trao đổi nhiệt với nhập liệu ( sau khi qua bồn
cao vị ).
Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là Benzen, sản phẩm đáy là
Toluen
II. Cân bằng vật chất – Cân bằng năng lượng:

1. Cân bằng vật chất:
 Các số liệu ban đầu :
Chưng cất hỗn hợp Benzen-Toluen.


Năng suất nhập liệu: F = 1000 ( Kg/h )
Nhập liệu có nồng độ Benzen : x F = 0.3 kgBenzen/kg hỗn hợp
Sản phẩm đỉnh có nồng độ Benzen : x D = 0.9 kgBenzen/kg hỗn hợp
Sản phẩm đáy có nồng độ Benzen : x w = 0.05 kgBenzen/kg hỗn hợp
 Phương trình cân bằng vật chất cho tòan bộ tháp chưng cất :
F = D + W (1)
F * xF = D * xD + W * xW (2)
Biểu diễn nồng độ cùa các dòng nhập liệu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy theo phần
mol:
Nhập liệu

xF / M B
0.3 / 78
xF = x F 100  x F = 0.3 0.7 =0.336


78 92

MB
MT

xD / M B
0.9 / 78
Sản phẩm đỉnh: xD = x D 100  x D = 0.9 0.1 = 0.914


78 92
MB
MT
xW / M B

Sản phẩm đáy: xW = xW
MB



100  x W
MT

0.05 / 78
= 0.05 0.95 = 0.058

78
92

 Khối lượng phân tử trung bình dòng nhập liệu :
MF = 78.x F  (1  x F ).92 = 87,296 (Kg/Kmol).
F=

F
1000
=
=11.46 (Kmol/h)
M F 87.296

 Ta có:
(1) : D + W = 11.46
(2) : 0,914*D + 0,058*W = 11,46*0.336
Suy ra: D = 3,72 (kmol/h). W = 7,74 (kmol/h)
 Khối lượng phân tử trung bình dòng sản phẩm đỉnh :
MD = 78.x D  (1  x D ).92 =79.204 (Kg/Kmol).


D = D*MD = 3,72*79,204= 294,64 (Kg/h)

 Khối lượng phân tử trung bình dòng sản phẩm đáy:
MW = 78.xW  (1  xW ).92 = 91,188 (Kg/Kmol).
W = W*MW = 7,74*91,188 = 705,8 (Kg/h)

1.1 Đồ thị đường cân bằng và t-x,y của hệ Benzen-Toluen:
Thành phần cân bằng lỏng (x), hơi (y) tính bằng %mol và nhiệt độ sôi của hỗn
hợp hai cấu tử ở 760 mmHg (Benzen-Toluen):
x 1
y 1
t 80

82,3
92,3

84

65,9
83
88

50,8
72
92

37,6
59,6
96

25,6
45,3
100

Hình 1: Đồ thị đường cân bằng hệ Benzen-Toluen

15,5
30,4
104

5,9
12,8
108

0
0

110


Hình 2: Đồ thị t-x,y hệ Benzen-Toluen
1.2 Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp :
Chỉ số hồi lưu tối thiểu :
xD  y * F
0.914  0.497
Rmin = *
=
=2.59
y F  xF
0.497  0.336

Với y*F = 0.497 là phần mol của benzen trong pha hơi cân bằng với nhập liệu
lỏng đươc xác định trên đồ thị ở Hình 1
Chỉ số hồi lưu thực tế lấy lớn hơn 20% lý thuyết
R = 0.518 + 2.59 = 3.108
Chỉ số hồi lưu thích hợp :
Chỉ số hồi lưu thực tế lấy lớn hơn 20% lý thuyết
R = 0.518 + 2.59 = 3.108
Vẽ đường làm việc:
Phương trình đường làm việc phần cất:
R

xD

3.108

0.914

y = R 1 * x + R 1 =
*x +
3.108  1
3.108  1


= 0.757 * x + 0.222
Phương trình đường làm việc phần chưng:
RL

L 1

y = R  1 * x - R  1 * xW
Với L =
y=

F 11 .46

= 3.08
D 3.72

3.108  3.08
3.08  1
* 0.058 = 1.506 * x – 0.0.29
*x3.108  1
3.108  1

1.3 Xác định số đĩa lý thuyết và số đĩa thực tế:
1.3.1 Số mâm lý thuyết:

Dựa vào đường làm việc phần chưng và phần cất trên đồ thị ta xác định
được số mâm lý thuyết là 7 mâm ( 4 mâm chưng và 3 mâm cất )

1.3.2 Xác định số mâm thực tế:
Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình :
N tt 

N lt
η tb

trong đó: tb : hiệu suất trung bình của đĩa, là một hàm số của độ bay hơi
tương đối và độ nhớt của hỗn hợp lỏng :  = f(,).


Ntt : số mâm thực tế.
Nlt : số mâm lý thuyết.
1.3.3 Xác định hiệu suất trung bình của tháp  tb :
a) Hiệu suất sản phẩm đỉnh:


 y D* 0.965

Từ đồ thị hình 1 và 2, ta có: xD = 0.914

 t Ds 80 O C

 Tại tDs = 800C, ta có:
Độ nhớt của benzen
 B 0.318 *10  3 ( Ns / m 2 )

Độ nhớt của Toluen:
 T 0.318 * 10  3 ( Ns / m 2 )

(Bảng I.101, trang 109 – Tập 1 )

Độ nhớt của hỗn hợp tại đỉnh:
  hh 0.318 *10  3 ( Ns / m 2 )

Độ bay hơi tương đối:
y*
1  xD
0.965 1  0.914
D  D * *

*
2.59
xD
1  0.965
0.914
1  yD
  D *  hh 2.59 * 0.318 *10  3 0.8236 * 10  3

Vậy hiệu suất sản phẩm đỉnh tra tại hình IX.11, trang 171-Sổ tay Tập 2
là:
 D 52%0.52

b) Hiệu suất dòng nhập liệu:


 y F* 0.552


Từ đồ thị hình 1 và 2, ta có: xF = 0.336

 t Fs 27 oC

 Tại tFs = 270C, ta có:


Độ nhớt của Benzen:
 B 0.586 * 10  3 ( Ns / m 2 )

Độ nhớt của Toluen :
 T 0.5371* 10  3 ( Ns / m 2 ) (Bảng I.101, trang 91 - TL3 )

Độ nhớt của hỗn hợp dòng nhập liệu:
lg  hh  x F * lg  B  (1  x F ) * lg  T
lg  hh 0.336 * lg(0.586 *10  3 )  (1  0.336) * lg(0.5371 *10  3 )  3.257
  hh 0.553 * 10  3 ( Ns / m 2 )

Độ bay hơi tương đối:
y*
1  xF
0.552 1  0.336
F  F * *

*
2.435
xF
1  0.552
0.336

1  yF
  F *  hh 2.435 * 0,553 * 10  3 1.347.10  3

Vậy hiệu suất dòng nhập liệu tra tại hình IX.11, trang 171 -TL3 là:
 F 47 % 0.47

c) Hiệu suất sản phẩm đáy:
 yW* 0,126
 tWs 100 O C

 Từ đồ thị hình 1 và 2, ta có: xW = 0.058  
 Tại tWs = 1000C, ta có:
Độ nhớt của Benzen:
 B 0.216 * 10  3 ( Ns / m 2 )

Độ nhớt của Toluen :
 T 0.269 *10  3 ( Ns / m 2 )

Độ nhớt của hỗn hợp tại đáy:
lg  hh  xW * lg  B  (1  xW ) * lg  T
lg  hh 0.058 * lg(0,216 *10  3 )  (1  0.058) * lg(0.269 *10  3 )  3,5758


  hh 0.2656 * 10  3 ( Ns / m 2 )

Độ bay hơi tương đối:
y*
1  xW
0.126 1  0.058
W  W * *


*
2.341
xW
1  0.126
0.058
1  yW
  W *  hh 2.341 * 0.2656 * 10  3 0.622 * 10  3

Vậy hiệu suất sản phẩm đáy tra tại hình IX.11, trang 171-TL3 là:
W 56 % 0.56

d) Số đĩa thực tế trong từng đoạn:
Hiệu suất trung bình của phần cất:
   F 0.52  0.47
 tb  D

0.495 (CT IX.60, trang 171,Sổ tay QTTB Tập 2)
2
2

Số đĩa thực tế phần cất:
Ntt =

N lt
3

6
 tb 0.495

Hiệu suất trung bình của phần chưng:
   F 0.56  4.47
 tb  W

0.515 (CT IX.60, trang 171, Sổ tay QTTB Tập 2)
2
2

Số đĩa thực tế phần chưng:
Ntt =

N lt
4

8
 tb 0.515

Vậy số đĩa thực của tháp là 14 đĩa.
Số đĩa thực tế cho phần cất : 6
Số đĩa thực tế cho phần chưng : 8
Và nhập liệu ở đĩa số 8.

2. Cân bằng năng lượng:
Từ đồ thị x,y ta có:
xF = 0.336

yF = 0.552


xD = 0.914

yD = 0.965

xW = 0.058

yW = 0.126

Chuyển từ phần mol sang phần khối lượng:


yF 

yF * M B
0.552 * 78

0.51
y F * M B  (1  y F ) * M T 0.552 * 78  (1  0.552) * 92



yD 

yD * M B
0.965 * 78

0.959
y D * M B  (1  y D ) * M T 0.965 * 78  (1  0.965) * 92



yW 

yW * M B
0.126 * 78

0.109
yW * M B  (1  yW ) * M T 0.126 * 78  (1  0.126) * 92

2.1 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng hỗn hợp ban đầu:
Phương trình cân bằng năng lượng cho thiết bị nung nóng hỗn hợp ban đầu
QD1 + Qf = QF + Qxq1 + Qng1
a) Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào tháp Qf:
Q f F * C f * t f



(J/h)

(CT IX.152, trang 196,TL3)

F : lượng hỗn hợp đầu, F = 1000 (kg/h)

 tf : nhiệt độ của hỗn hợp nhập liệu ban đầu, tf = 27oC.
Tại tf = 27oC:
 C B 1763 ( J / kg.do)

 C N 1741.5 ( J / kg.do)

(Bảng I.153, trang 171-TL2)

 CF nhiệt dung riêng của hỗn hợp nhập liệu (J/kg.độ)
C f  x f * C B  (1  x f ) * CT

C f 0.3 * 1763  (1  0.3) * 1741.5 1748 ( J / kg.do)

Qf = 1000*1748*27 = 47196000 (J/h) = 13.11(KW)
b) Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra khỏi thiết bị đun nóng QF:
QF F * C F * t F



(J/h)

(CT IX.152, trang 196,TL3)

F : lượng hỗn hợp đầu, F = 1000 (kg/h).


 tF : nhiệt độ của hỗn hợp nhập liệu khi ra khỏi thiết bị đun nóng, t F =
80oC.
Tại tF = 80oC:
 C B 2077 ( J / kg .do)

 CT 2025 ( J / kg.do)

(Bảng I.153, trang 171-TL2)

 CF : nhiệt dung riêng của hỗn hợp nhập liệu (J/kg.độ)
C F  x F * C B  (1  x F ) * CT

CF 0.3 * 2077  (1  0.3) * 2025 2040 ( J / kg.do)
QF = 1000 * 2040 * 90 = 1836*105 (J/h) = 51(KW)
c) Nhiệt lượng hơi nước mang vào QD1
Lượng hơi đốt cần thiết để đun nóng dung dịch đầu đến nhiệt độ sôi:
D1 

QF  Q xq1  Qng1  Q f

1



QF  Q f
0.95r1

1836 * 10 5  47196000

65(kg / h)
0.95 * 2208 * 10 3

Ta có: QD1 = D1* 1 = D1*(r1 + C1*t1)

(J/h)

(CT

IX.157,

197,TL3)
Do hơi đốt là hơi nước bão hòa ở p = 2 at nên:

 r1: ẩn nhiệt hóa hơi, r1 = 2208*103 (J/kg) (Bảng I.251, trang 314-TL2)
 t1, C1: nhiệt đđộ C, nhiệt dung riêng cua nước ngưng (J/kg.do)
t1 = 119.6 oC

C1 = 4274.1 (j/kg.độ)

QD1 65 * (2208 *10 3  4274.1 *119 .6) 176746853.4( J / h) 49.1( KW )

d) Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra Qng1
Qng1 = Gng1*C1*t1 = D1*C1*t1

(J/h) (CT IX.161, trang 198,TL3)

Qng1 = 49.1*4274.1*119.6 = 25099053.9 (J/h) = 6.97 (KW)
Trong đó: Gng2 : lượng nước ngưng tụ bằng lượng hơiđđốt (kg/h)
e) Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh Qxq1:
Qxq1 = 0.05*D1*r1

(J/h)

(CT IX.162, trang 198,TL3)

Qxq1 = 0.05*65*2208*103 = 7176000(J/h) = 2(KW)

trang


2.2 Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng cất:
Phương trình cân bằng năng lượng:
Qy

QR

QF
QD2
Qng2

Qxq2

QW
QF + QD 2 + QR = Qy + Qw + Qxq 2 + Qng 2

a) Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào tháp QF:
QF F * CF * t F



(J/h) (CT IX.152, trang 196,TL3)

F : lượng hỗn hợp đầu, F 1000 (kg/h)

 tF : nhiệt độ của hỗn hợp nhập liệu khi ra khỏi thiết bị đun nóng, t F =
80oC.
Với tF = 80oC:
 C B 2077 ( J / kg.do)

 CT 2025 ( J / kg.do)

(Bảng I.153, trang 171-TL2)

 CF : nhiệt dung riêng của hỗn hợp nhập liệu (J/kg.độ)
C F  x F * C B  (1  x F ) * CT

CF 0.3 * 2077  (1  0.3) * 2025 2040 ( J / kg.do)
QF = 1000 * 2040 * 90 = 1836*105 (J/h) = 51(KW)
b) Nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào QR:
Q R = G R * C R * tR


(J/h) (CT IX.158, trang 197,TL3)

CR : nhiệt dung riêng của chất lỏng hồi lưu CR = CD




tD : nhiệt độ của sản phẩm đỉnh, tD = 80oC.
Với tD = 80oC:
 C B 2035( J / kg.do)

 CT 1980( J / kg.do)

(Bảng I.153, trang 171-TL2)

C D  x D * C B  (1  x D ) * CT
C D 0.9 * 2035  (1  0.9) * 1980 2029.5( J / kg.do)


GR : lượng lỏng hồi lưu (kg/h)
GR = D *Rth

Trong đó: D : lượng sản phẩm đỉnh, D = 294.64 (kg/h)
Rth: chỉ số hồi lưu, Rth = 3.108
G R 294.64 * 3.108 915.74 (kg / h)



tR : nhiệt độ chất lỏng hồi lưu : tR = tD = 80oC.
QR = 915.74*2029.5*80 = 148679546.4 (J/h) = 41.3 (KW)

c) Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp Qy:
Qy = D *(1 + Rth)*  D


(J/h)

(CT IX.159, trang 197,TL3)

 D : nhiệt lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp (J/kg)

Với tD = 80oC:
 rB 393.85 * 10 3 ( J / kg )

 rT 378.75 * 10 3 ( J / kg )

Với:

(tra bảng I.212, trang 301-TL2)

 B rB  t D * C B

T rT  t D * CT
  B 393.85 *10 3  80 * 2035 556650 ( J / kg )
 
 T 378.75 *10 3  80 *1980 537150 ( J / kg )

 D = y D *  B  (1  y D ) * T

 D 0.959 * 556650  (1  0.959) * 537150 555850.5( J / kg )

Qy = 294.64*(1 + 3.108)*555850.5= 672790950.7 (J/h) = 168.9 (KW)
d) Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra QW:


QW = W * CW * tW ( J / h)

(CT IX.160, trang 197,TL3)

 W : lượng sản phẩm đáy, W = 705.8 (kg/h)
 tW : nhiệt độ sản phẩm đáy, tW = 100oC
Với tW = 100oC:
 C B 2120( J / kg.do)

 CT 2070( J / kg.do)

(Bảng I.153, trang 171-TL2)

 CW : nhiệt dung riêng của sản phẩm đáy
CW xW * C A  (1  xW ) * C N
CW 0,05 * 2120  (1  0.05) * 2070 2072.5 (J/kg.do)

QW = 705.8*2072.5*100 = 146277050 (J/h) = 40.63 (KW)
e) Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp QD2:
QD2 = D2* 2 = D2*(r2 + C2*t2) (J/h)

(CT IX.157, trang 197,TL3)

Trong đó:
 r2: ẩn nhiệt hóa hơi (J/kg)
 t2, C2: nhiệt đđộ C, nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg.do)
Do hơi đốt là hơi nước bão hòa ở p = 2 at nên:
r2 = 2208*103 (J/kg)

(Bảng I.251, trang 314-TL2)

t2=119.6oC
C2 = 4274.1 (J/kg.do)
 Ta có: QD2 = Qy + QW + Qxq2 + Qng2 – QF – QR
Lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi dung dịch ở đáy tháp
D2 
D2 

Q y  QW  QF  QR
0,95 * r2
(672790950 .7  146277050  1836 * 10 5  148679546.4)
232 (kg / h)
0.95 * 2208 *10 3

QD 2 232 * (2208 * 10 3  4274.1 * 119 .6) 631038605 ( J / h) 175.3( KW )

f) Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh Qxq2:

Qxq2 = 0.05*D2*r2

(J/h) (CT IX.162, trang 198,TL3)


Qxq2 = 0,05*232*2264*103 = 26262400 (J/h) = 7.29 (KW)
g) Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra Qng2
Qng2 = Gng2*C2*t2 = D2*C2*t2

(J/h)(CT IX.161, trang 198,TL3)

Qng2 = 175.3*4274.1*119.6 = 89610267.7 (J/h) = 24.9 (KW)
Trong đó: Gng2 : lượng nước ngưng tụ bằng lượng hơi đốt (kg/h)
2.3 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ:
t2=tnr

tDv

tnv=t1
th

Thiết bị ngưng tụ hoàn toàn Gnt D * ( R  1)
Suy ra lượng nước lạnh tiêu tốn cần thiết là:
Gn1 

D * (R th  1)
*r
C n * (t 2  t1 ) ngưng

(CT IX.164, trang 198,TL3)

Trong đó:


t2, t1: nhiệt độ ra và nhiệt độ vào của nước làm lạnh.
Chọn : t1 = 27oC t2 = 50oC
ttb =



t1  t 2 27  50

35.5 o C : nhiệt độ trung bình của nước làm lạnh.
2
2

Cn: nhiêt dung riêng của nước làm lạnh tại ttb
Cn = 4180 (J/kg.độ)



(Bảng I.147, trang 195-TL2)

rngưng: ẩn nhiệt ngưng tụ
Tại tD = 80oC
 rB 393.85 * 10 3 ( J / kg )

 rT 378.75 * 10 3 ( J / kg )

(Bảng I.212, trang 301-TL1)

rngung  x D * rB  (1  x D ) * rT
rngung 0.9 * 393.85 *10 3  (1  0.9) * 378.75 * 10 3 392340( J / kg )

Vậy: lượng nước lạnh tiêu tốn là:


Gn1 =

294.64 * (3.108  1) * 392340
4939.47(kg / h) 1.37(kg / s )
4180 * (50  27)

2.4 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh:
t'1=t Ds
tnv=t1

tnr=t2
t'2
Ta có phuơng trình cân bằng nhiệt:
D * C D * (t '1  t '2 ) Gn 2 * Cn * (t 2  t1 )

Gn 2 

(CT IX.166, trang 198,TL3)

D * C D * (t '1  t '2 )
Cn * (t 2  t1 )

Trong đó:



t1, t2: nhiệt độ vào và ra của nước làm lạnh
Chọn t1 = 27oC , t2 = 50oC
ttb =

t1  t 2 27  40

38.5 o C : nhiệt độ trung bình của nước
2
2

làm lạnh.
 Cn: nhiệt dung riêng cuả nước làm lạnh
Cn = 4180 (J/kg.độ)


(Bảng I.147, trang 195-TL2)

t '1 , t ' 2 : nhiệt độ vào và ra của sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ

Chọn t’1 = tDs = 80 oC,
t’tb =

t’2 = 50 oC

t '1 t ' 2 80  50

65 0 C
2

2

Tại t’tb = 65 0C ta có:
 C B 1956( J / kg.do)

 CT 1920( J / kg.do)

(Bảng I.153, trang 171-TL2)

 CD: nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ


C D  x D * C B  (1  x D ) * CT
C D 0.9 *1956  (1  0.9) *1920 1952.4( J / kg.do)

Vậy: lượng nước lạnh tiêu tốn:
Gn 2 

294.64 * 1952.4 * (80  50)
179.5( Kg / h) 0.05(kg / s)
4180 * (50  27)

2.5 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đáy:

t'1=t Ds
tnv=t1

tnr=t2
t'2
Ta có phương trình cân bằng nhiệt:

W * CW * (t"1  t"2 ) Gn 3 * Cn * (t 2  t1 )

(CT IX.165, trang 198,TL3)

W * CW * (t"1  t"2 )
Gn 3 
Cn * (t 2  t1 )

Trong đó:


t1, t2: nhiệt độ vào và ra của nước làm lạnh
Chọn t1 = 27oC , t2 = 50oC
ttb =

t1  t 2 27  50

38.5 o C : nhiệt độ trung bình của nước
2
2

làm lạnh.
 Cn: nhiệt dung riêng cuả nước làm lạnh
Cn = 4180 (J/kg.độ)


(Bảng I.147, trang 195-TL2)

t"1 , t"2 : nhiệt độ vào và ra của sản phẩm đáy đã ngưng tụ

Chọn t”1 = tWs =100 oC,
t”tb =

t”2 = 50 oC

t"1 t"2 100  50

75 0 C
2
2

Tại t”tb = 75 oC ta có:


 C B 2008.75( J / kg.do)

 CT 1960( J / kg.do)

(Bảng I.153, trang 171-TL2)

 CW: nhiệt dung riêng của sản phẩm đáy
CW  xW * C B  (1  xW ) * CT
CW 0.05 * 2008.75  (1  0.05) * 1960 1962.4( J / kg.do)

Vậy: lượng nước lạnh tiêu tốn:
Gn3 

705.8 * 1962.4 * (100  50)
720.33( Kg / h) 0.2(kg / s)
4180 * (50  27)

III. Lựa chọn thông số thiết kế cho tháp chưng cất hỗn hợp Benzen-Toluen:
Đường kính tháp:
Dt 

Với

4Vtb
g tb
0,0188
(m) ( CT IX.89–Sồ tay QTTB–Tập 2-Tr 181 )
π.3600.ω tb
(  y .ω y ) tb

Vtb :lượng hơi trung bình đi trong tháp (m3/h).
tb :tốc độ hơi trung bình đi trong tháp (m/s).
gtb : lượng hơi trung bình đi trong tháp (Kg/h).
Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng và đoạn cất khác nhau. Do đó,
đường kính đoạn chưng và đoạn cất cũng khác nhau .
o Đường kính đoạn cất:
Kết quả tính toán được: Dt = 0.062(m)
o Đường kính đoạn chưng:
Kết quả tính toán được: Dchưng = 0.06 (m)
o Chiều cao tháp

Chiều cao tháp được xác định theo công thức sau :
H = Ntt * ( Hđ +  ) + ( 0.8  1.0 ) ( m )
Kết quả tính toán được: H = 5.36 (m)
Cấu tạo mâm lỗ:

Chọn : Đường kính lỗ : dl = 3 (mm).
Tổng diện tích lỗ bằng 9,77% diện tích mâm.
Khoảng cách giữa hai tâm lỗ bằng 2,5 lần đường kính lỗ (bố trí lỗ theo tam giác
đều ).
Tỷ lệ bề dày mâm và đường kính lỗ là 6/10 .
Diện tích dành cho ống chảy chuyền là 20% diện tích mâm .
Số lỗ trên 1 mâm :
9,77%.S mâm
D
N=
= 0,0977. t
S lo
 dl

2

2


 0,6 
 0,0977.
 ~3908 lỗ.
 0,003 


Vậy: ta bố trí các lỗ trên 1 mâm thành 51(hàng), số lỗ trên đường chéo là 66 lỗ.
Bề dày thân tháp:
Ta chọn vật liệu chế tạo thân tháp là thép không gỉ mã X18H10T.
Kết quả tính toán được: St = 2 (mm).

Đáy – Nắp thiết bị:
Chọn đáy và nắp có dạng là ellipise tiêu chuẩn, có gờ bằng thép X18H10T
Kết quả tính toán được: S’t = 2 (mm).
Bích ghép thân, đáy và nắp:
Để đảm bảo độ kín cho thiết bị ta chọn đệm là dây amiăng, có bề dày là
3(mm).
Đường kính các ống dẫn – Bích ghép các ống dẫn:
o Vị trí nhập liệu:
Chọn chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích: lF = 100 (mm).
o Ống hơi ở đỉnh tháp:
Chọn chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích: lD = 120 (mm).
o Ống hồi lưu:
Chọn chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích: lhl = 100 (mm).
Chân đỡ:


o Trọng lượng của tháp:
Kết quả tính toán được: P = m.g = 11510,49 (N)
o Chân đỡ tháp:
Chọn chân đỡ: tháp được đỡ trên bốn chân. Tải trọng cho phép trên một
chân:
Gc =

P 11510,49

= 0,2877.104 (N).
4
4

Để đảm bảo độ an tồn cho thiết bị, ta chọn: Gc = 0,5.104 (N)