Thiết kế hệ thống chưng cất benzen - tuluen bằng tháp chóp

ĐAMH Q trình & Thiết bị GVHD : Phan Đình Tuấn
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
Thành phố Hồ Chí Minh
Khoa: Công nghệ Hóa & Thực phẩm
Bộ môn: Quá trình và Thiết bò
ĐỒ ÁN
MÔN HỌC: ĐỒ ÁN MÔN HỌC QT&TB. MÃ SỐ: 605040
Họ và tên sinh viên: Vũ Tiến Dũng
Lớp: HC06MB
Ngành (nếu có): Máy & Thiết Bị
1. Đầu đề đồ án: Thiết kế tháp mâm chóp chưng cất hỗn hợp Benzen – Toluen
có năng suất 200 l/h tính theo sản phẩm đỉnh
2. Nhiệm vụ (nội dung yêu cầu và số liệu ban đầu):
- Nồng độ nhập liệu:
F
= 40%phần khối lượng
- Nồng độ sản phẩm đỉnh:
D
= 98% phần khối lượng
- Nồng độ sản phẩm đáy:
W
= 1% phần khối lượng
- Nguồn năng lượng và các thông số khác tự chọn
3. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:
Xem ở phần mục lục
4. Các bản vẽ và đồ thò (loại và kích thước bản vẽ):
Gồm 2 bản vẽ A1: bản vẽ quy trình công nghệ và bản vẽ chi tiết thiết bò
5. Ngày giao đồ án: 6/10/2009
6. Ngày hoàn thành đồ án: 18/01/2010
7. Ngày bảo vệ hay chấm: 25/01/2010

Ngày 6 tháng 10 năm 2009
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN NGƯỜI HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên)
Trang 1
ĐAMH Q trình & Thiết bị GVHD : Phan Đình Tuấn
NHẬN XÉT ĐỒ ÁN
Cán bộ hướng dẫn. Nhận xét:_______________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
Điểm:_________________ Chữ ký:_______________________
Cán bộ chấm hay Hội đồng bảo vệ. Nhận xét:_________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
Điểm:_________________ Chữ ký:_______________________
Điểm tổng kết:
Trang 2
ĐAMH Quá trình & Thiết bị GVHD : Phan Đình Tuấn
LỜI MỞ ĐẦU
Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển đóng góp to lớn cho nền công
nghiệp nước ta nói riêng và thế giới nói chung. Một trong những ngành có đóng
góp vô cùng to lớn đó là ngành công nghiệp hoá học, đặc biệt là ngành sản xuất
các hoá chất cơ bản.
Hiện nay, các ngành công nghiệp cần sử dụng rất nhiều hoá chất có độ
tinh khiết cao. Nhu cầu này đặt ra cho các nhà sản xuất hoá chất sử dụng nhiều
phương pháp để nâng cao độ tinh khiết của sản phẩm như : trích ly, chưng cất,
cô đặc, hấp thu … Tuỳ theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có sự lựa chọn
phương pháp cho phù hợp. Đối với hệ benzen – toluen là hệ 2 cấu tử tan lẫn vào
nhau, ta chọn phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho benzen.

Đồ án môn học Quá trình & Thiết bị là một môn học mang tính tổng hợp
trong quá trình học tập của các kỹ sư Công nghệ Hoá học tương lai. Môn học
này giúp sinh viên có thể tính toán cụ thể : quy trình công nghệ, kết cấu, giá
thành của một thiết bị trong sản xuất hoá chất - thực phẩm. Đây là lần đầu tiên
sinh viên được vận dụng các kiến thức đã học để giải quyết các vấn đề kỹ thuật
thực tế một cách tổng hợp.
Nhiệm vụ của đồ án là thiết kế tháp mâm chóp để chưng cất hỗn hợp
Benzen – Toluen ở áp suất thưởng với năng suất theo sản phẩm đỉnh(Benzene)
là 200 lít/h có nổng độ 98% phần khối lượng benzen, nồng độ sản phẩm đáy là
99% khối lượng Toluene,Nồng độ nhập liệu là 40% khối lượng Benzene, nhập
liệu ở trạng thái lỏng sôi.
Trang 3
ĐAMH Q trình & Thiết bị GVHD : Phan Đình Tuấn
MỤC LỤC
Lời mở đầu.......................................................................................3
CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN ............................................................................................4
I. Lý thuyết về chưng cất..................................................................................................5
II. Giới thiệu sơ bộ về ngun liệu....................................................................................7
CHƯƠNG 2 : QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ.....................................................................9
CHƯƠNG 3 : CÂN BẰNG VẬT CHẤT....................................................................10
I. Các thông số ban đầu ..............................................................................................10
II. Xác đònh suất lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy thu được............................10
III. Xác đònh tỉ số hoàn lưu làm việc.............................................................................11
IV. Xác đònh phương trình đường làm việc – Số mâm lý thuyết..................................13
V. Xác đònh số mâm thực tế.........................................................................................14
CHƯƠNG 4 : TÍNH TOÁN THÁP CHƯNG CẤT...................................................16
I. Đường kính đoạn cất...................................................................................................16
II. Đường kính đoạn chưng.............................................................................................18
III. Trở lực của tháp..........................................................................................................20
CHƯƠNG 5 : CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG................................................................22

I. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh..................................22
II. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt nhập liệu............................................22
III. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đáy..................................22
IV. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh................................22
V. Nhiệt lượng cung cấp cho đáy tháp...........................................................................23
CH ƯƠNG 6: TÍNH TỐN CƠ KHÍ..............................................................................24
I. Tính tốn thân tháp.....................................................................................................24
II. Tính tốn chóp.............................................................................................................24
III. Tính tốn đáy nắp thiết bị...........................................................................................25
IV. Bích ghép thân.............................................................................................................26
V. Đường kính các ống dẫn – Bích ghép ống dẫn........................................................28
VI. Chân đỡ - tai treo.........................................................................................................31
CHƯƠNG 7 : TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHU.............................................................33
I. Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh ........................................................................33
II. Thiết bò đun sôi đáy tháp..........................................................................................36
III. Thiết bò làm nguôïi sản phẩm đỉnh..........................................................................39
IV. Thiết bò làm nguội sản phẩm đáy............................................................................43
V. Thiết bị đun sơi nhập liệu...........................................................................................47
VI. Bồn cao vị.....................................................................................................................50
VII. Bơm...............................................................................................................................52
Trang 4
AMH Quỏ trỡnh & Thit b GVHD : Phan ỡnh Tun
Keỏt luaọn.........................................................................................................................54
Taứi lieọu tham khaỷo.......................................................................................................54
Chng 1 :
Trang 5
ĐAMH Quá trình & Thiết bị GVHD : Phan Đình Tuấn
TỔNG QUAN
I. LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT :
1. Khái niệm :

- Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của hỗn hợp lỏng cũng như 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 nhiệt độ, áp suất hơi bão hoà 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.
- Chưng cất và cô đặc khá giống nhau, tuy nhiên sự khác nhau căn bản nhất của 2
quá trình này 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 tỷ 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 cấu tử và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu
được bấy nhiêu sản phẩm. Nếu xét hệ đơn giản chỉ có 2 cấu tử thì ta sẽ thu được
2 sản phẩm :
 Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt độ sôi nhỏ)
 Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi nhỏ (nhiệt độ sôi lớn)
- Đối với hệ Benzen – Toluen
 Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm benzen và một ít toluen.
 Sản phẩm đáy chủ yếu là toluen và một ít benzen.
2. Phương pháp chưng cất :
Các phương pháp chưng cất được phân loại theo :
- Áp suất làm việc :
 Áp suất thấp
 Áp suất thường
 Áp suất cao
 Nguyên tắc làm việc : dựa vào nhiệt độ sôi của các cấu tử, nếu nhiệt độ sôi của
các cấu tử quá cao thì ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi của các cấu
tử.
- Nguyên lí làm việc :

 Chưng một bậc
 Chưng lôi cuốn theo hơi nước
 Chưng cất
- Cấp nhiệt ở đáy tháp :
 Cấp nhiệt trực tiếp
 Cấp nhiệt gián tiếp
Vậy : Đối với hệ Benzen – Toluen, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục ở áp suất
thường.
3. Thiết bị chưng cất :
Trong sản xuất, người ta thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để tiến hành chưng
cất. Tuy nhiên, yêu cầu cơ bản chung của các thiết bị vẫn giống nhau nghĩa là diện tích tiếp xúc
pha phải lớn. Điều này phụ thuộc vào mức độ phân tán của một lưu chất này vào lưu chất kia.
Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta có các loại tháp mâm, nếu pha lỏng phân tán vào pha khí
ta có tháp chêm, tháp phun, …Ở đây ta khảo sát 2 loại thường dùng là tháp mâm và tháp chêm.
Trang 6
ĐAMH Quá trình & Thiết bị GVHD : Phan Đình Tuấn
 Tháp mâm : thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có cấu tạo
khác nhau, trên đó pha lỏng và pha hơi đượ cho tiếp xúc với nhau. Tuỳ theo cấu
tạo của đĩa, ta có :
- Tháp mâm chóp : trên mâm bố trí có chóp dạng tròn, xupap, ….
- Tháp mâm xuyên lỗ : trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh.
 Tháp chêm (tháp đệm) : tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối với nhau bằng mặt
bích hay hàn. Vật chêm được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp sau
: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự.
So sánh ưu nhược điểm của các loại tháp :
Tháp chêm Tháp mâm xuyên lỗ Tháp chóp
Ưu
điểm
- Cấu tạo khá đơn giản.
- Trở lực thấp.

- Làm việc được với chất lỏng bẩn
nếu dùng đệm cầu có ρ ≈ ρ của
chất lỏng.
- Trở lực tương đối thấp.
- Hiệu suất khá cao.
- Khá ổn định.
- Hiệu suất cao.
Nhược
điểm
- Do có hiệu ứng thành → hiệu suất
truyền khối thấp.
- Độ ổn định không cao, khó vận
hành.
- Do có hiệu ứng thành → khi tăng
năng suất thì hiệu ứng thành tăng
→ khó tăng năng suất.
- Thiết bị khá nặng nề.
- Không làm việc được
với chất lỏng bẩn.
- Kết cấu khá phức tạp.
- Có trở lực lớn.
- Tiêu tốn nhiều
vật tư, kết cấu
phức tạp.
Vậy :qua phân tích trên ta sử dụng tháp mâm chóp để chưng cất hệ Benzen – Toluen.
II. GIỚI THIỆU VỀ NGUYÊN LIỆU :
1. Benzen & Toluen :
Benzen: là một hợp chất mạch vòng, ở dạng lỏng không màu và có mùi thơm nhẹ.Công thức
phận tử là C
6

H
6
. Benzen không phân cực,vì vậy tan tốt trong các dung môi hữu cơ không phân
cực và tan rất ít trong nước. Trước đây người ta thường sử dụng benzen làm dung môi. Tuy
nhiên sau đó người ta phát hiện ra rằng nồng độ benzen trong không khí chỉ cần thấp 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 lí của benzen:
o Khối lượng phân tử: 78,11
o Tỉ trọng(20
0
C): 0,879
o Nhiệt độ sôi: 80
o
C
o Nhiệt độ nóng chảy: 5,5
0
C
Toluen: là một hợp chất mạch vòng,ở dạng lỏng và có tính thơm ,công thức phân tử tương tự
như benzen có gắn thêm nhóm –CH
3
. Không phân cực,do đó toluen tan tốt trong benzen.Toluen
có tính chất dung môi tương tự benzen nhưng độc tính thấp hơn nhiều, nên ngày nay thường
được sử dụng thay benzen làm dung môi trong phòng thí nghiệm và trong công nghiệp.
Các tính chất vật lí của toluen:
o Khối lượng phân tử : 92,13
o Tỉ trọng (20
o
C) : 0,866
o Nhiệt độ sôi : 111
o

C
o Nhiệt độ nóng chảy : -95
o
C
Các phương thức điều chế :
Trang 7
ĐAMH Quá trình & Thiết bị GVHD : Phan Đình Tuấn
o Đi từ nguồn thiên nhiên
Thông thường các hidrocacbon ít được điều chế trong phòng thí nghiệm, vì có thể thu
được lượng lớn nó bằng phương pháp chưng cất than đá, dầu mỏ….
o Đóng vòng và dehiro hóa ankane
o Các ankane có thể tham gia đóng vòng và dehidro hóa tạo thành hidro cacbon thơm ở
nhiệt độ cao và có mặt xúc tác như Cr
2
O
3
, hay các lim loại chuyển tiếp như Pd, Pt
CH
3
(CH
2
)
4
CH
3
 →
3232
/ OAlOCr

C

6
H
6
o Dehidro hóa các cycloankane
Các cycloankane có thể bị dehidro hóa ở nhiệt độ cao với sự có mặt của các xúc tác kim
loại chuyển tiếp tạo thành benzen hay các dẫn xuất cảu benzen
C
6
H
12
 →
PdPt /

C
6
H
6
o Đi từ acetylen
Đun acetane trong sự có mặt cảu của xúc tác là than hoạt tính hay phức của niken như
Ni(CO)[(C
6
H
5
)P] sẽ thu được benzen
3C
2
H
2

→

xt

C
6
H
6
o Từ benzen ta có thể điều chế được các dẫn xuất của benzen như toluen bằng phản ứng
Friedel-Crafts (phản ứng ankyl hóa benzen bằng các dẫn xuất ankyl halide với sự có
mặt cảu xúc tác AlCl
3
khan
C
6
H
6
+ CH
3
- Cl
 →
3
AlCl
C
6
H
5
-CH
3
2. Hỗn hợp benzen – toluen :
Ta có bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Benzen – Toluen
ở 760 mmHg.(Tham khảo STT1)

Chương 2 :
Trang 8
x (% phân mol) 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
y (% phân mol) 0 11,8 21,4 38 51,1 61,9 71,2 79 85,4 91 95,9 100
t (
o
C) 110,6 108,3 106,1 102,2 98,6 95,2 92,1 89,4 86,8 84,4 82,3 80,2
ĐAMH Quá trình & Thiết bị GVHD : Phan Đình Tuấn
QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
Hỗn hợp Benzen – Toluen có nồng độ Benzen là 40% (phần khối lượng), nhiệt độ nguyên
liệu lúc đầu là 30
0
C tại bình chứa nguyên liệu (1), được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3). Dòng
nhập liệu được gia nhiệt tới nhiệt độ sôi trong thiết bị truyền nhiệt ống chùm. Sau đó hỗn hợp
được đưa vào tháp chưng cất (6) ở đĩa nhập liệu và bắt đầu quá trình chưng cất. Lưu lượng
dòng nhập liệu được kiểm soát qua lưu lượng kế (14).
Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn luyện của tháp chảy xuống.
Trong tháp, hơi đi dưới lên gặp lỏng đi từ trên xuống. Ở đây có sự tiếp xúc và trao đổi giữa hai
pha với nhau. Pha lỏng chuyển động trong phần chưng càng xuống phía dưới càng giảm nồng
độ các cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi tạo nên từ nồi đun (10) lôi cuốn cấu tữ dễ bay hơi.
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 toluen sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử benzen
chiếm nhiều nhất (nồng độ 98% phần khối lượng). Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ (7) được
ngưng tụ hoàn toàn. Một phần chất lỏng ngưng tụ đi qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (8),
được làm nguội bằng thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống(8) rồi được đưa qua bồn chứa sản
phẩm đỉnh (9). Phần còn lại của chất lỏng ngưng tụ được hoàn lưu về tháp ở đĩa trên cùng với tỉ
số hoàn lưu thích hợp và được kiểm soát bằng lưu lượng kế(5). Cuối cùng ở đáy tháp ta thu
được hỗn hợp lỏng hầu hết là cấu tử khó bay hơi (Toluen). Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độ
Toluene là 99% phần khối lượng, còn lại là Benzene. Dung dịch lỏng ở đáy đi ra khỏi tháp vào
nồi đun (10). Trong nồi đun dung dịch lỏng một phần sẽ bốc hơi cung cấp lại cho tháp để tiếp

tục làm việc, phần còn lại ra khỏi nồi đun được cho qua thiết bị làm nguội sản phẩm đáy (13)
rồi đi vào thiết bị làm nguội sản phẩm đáy(13) sau đó vào bồn chứa sản phẩm đáy(12).
Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là Benzen, sản phẩm đáy là Toluen
Trang 9
ĐAMH Q trình & Thiết bị GVHD : Phan Đình Tuấn
Chương 3 :
CÂN BẰNG VẬT CHẤT
I. CÁC THƠNG SỐ BAN ĐẦU :
Chọn loại tháp là tháp mâm chóp.
Khi chưng luyện hỗn hợp Benzen - Toluen thì cấu tử dễ bay hơi là Benzen.
Hỗn hợp:



=⇒
=⇒
molgMCHHCToluen
molgMHCBenzen
T
B
/92:
/78:
356
66
 Năng suất sản phẩm đỉnh : D = 200l/h
 Nồng độ nhập liệu : x
F
= 40% phân khối lượng
 Nồng độ sản phẩm đỉnh : x
D

= 98% phân khối lượng
 Nồng độ sản phẩm đáy: x
W
= 99% phân khối lượng
 Nhiệt độ nhập liệu: nhập liệu ở trạng thái lỏng sơi
 Chọn:
 Nhiệt độ nhập liệu: t
FV
= 94
o
C
 Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi làm nguội: t
WR
= 35
o
C
 Nhiệt độ dòng nước lạnh đi vào: t
V
= 30
o
C
 Nhiệt độ dòng nước lạnh đi ra: t
R
= 40
o
C
 Các ký hiệu:

F
, F: suất lượng nhập liệu tính theo kg/h, kmol/h.


D
, D: suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo kg/h, kmol/h.

W
, W: suất lượng sản phẩm đáy tính theo kg/h, kmol/h.
 x
i
, x
i
: nồng độ phần mol, phần khối lượng của cấu tử i.
II. XÁC ĐỊNH SUẤT LƯNG DỊNG NHẬP LIỆU VÀ DỊNG SẢN
PHẨM ĐÁY :
M
F
=x
F
.M
B
+ (1-x
F
).M
T
= 0,4.78 + (1-0.4).92 = 86.4 kg/kmol
M
D
=x
D
.M
B

+ (1- x
D
).M
T
= 0,98.78 + (1-0,98).92 = 78.28 kg/kmol
M
W
=x
W
.M
B
+ (1- x
W
).M
T
= 0,01. 78 + (1-0,01).92 =91,86 kg/kmol
44,0
92
4,01
78
4,0
78
4,0
1
=
−
+
=
−
+

=
T
F
B
F
B
F
F
M
x
M
x
M
x
x
012,0
92
01,01
78
01,0
78
01,0
1
=
−
+
=
−
+
=

T
W
B
W
B
W
W
M
x
M
x
M
x
x
Trang 10
ĐAMH Q trình & Thiết bị GVHD : Phan Đình Tuấn
Dòng sản phẩm đỉnh có nhiệt độ 80
0
C nên ta có khối lượng riêng của dòng này:


ρ
Β
= 815
kg/m3,
ρ
Τ
= 805
kg/m
3

T
D
B
D
D
xx
ρρρ
−
+=
1
1

3
/809 mkg
D
=
ρ

hkgVD
DD
/8,161809.2,0. ===
ρ

hkmol
M
D
D
D
/07,2
==

Phương trình cân bằng vật chất:



+=
+=
WDF
xWxDxF
WDF
...

hkmolF
hkgF
hkmolW
hkgW
/87,4
/4.402
/8,2
/6,240
=
=
=
=
F
= 402,4 kg/h
D
= 161,8 kg/h
W
= 240,6 kg/h
F = 4,87 kmol/h D = 2,07 kmol/h

W = 2,8 kmol/h
4.0=
F
x 98,0=
D
x 01,0=
W
x
44.0=
F
x 983,0=
D
x 012,0=
W
x
III. XÁC ĐỊNH CHỈ SỐ HỒI LƯU THÍCH HP :
* Chỉ số hồi lưu tối thiểu :
Tỉ số hoàn lưu tối thiểu là chế độ làm việc mà tại đó ứng với số mâm lý thuyết
là vô cực. Do đó, chi phí cố đònh là vô cực nhưng chi phí điều hành (nhiên liệu,
nước và bơm…) là tối thiểu.
Trang 11
ĐAMH Q trình & Thiết bị GVHD : Phan Đình Tuấn
Hình 1: Đồ thò cân bằng pha của hệ Benzen – Toluen tại P = 1atm
Dựa vào hình 1 ta có x
F
= 0,44⇒ y
F
*
= 0,643
Tỉ số hoàn lưu tối thiểu :

44,0643,0
3.64,0983,0
*
*
min
−
−
=
−
−
=
FF
FD
xy
yx
R
= 1,68
Tỉ số hoàn lưu làm việc tính theo cơng thức kinh nghiệm: R = 1,5R
min
= 1,5.1,68 = 2,52
Theo Phương pháp thể tích tháp nhỏ nhất ta có: V = S.H
Với S – diện tích tiết diện ngang của tháp; H – chiều cao tháp. Mặt khác diện tích tiết diện
tháp tỉ lệ vơi lượng hơi, lượng hơi này lại tỉ lệ với lượng hồn lưu hay S tỉ lệ với R. Chiều cao
tháp tỉ lệ với số đĩa lý thuyết N
lt
. Vậy thể tích tháp tỉ lệ với giá trị N
lt
.(R+1). Lần lượt cho các
giá trị R và tìm thể tích tháp, ứng với giá trị nào nhỏ nhất của thể tích tháp thì R đó là tỉ số
hồn lưu tối ưu.

R 5 4.5 4 3.5 3 2.5 2
N
lt
12 13 14 16 15 15 18
(R+1).Nlt 72 71.5 70 72 60 52.5 54
Biểu diễn trên đồ thị:
Trang 12
ĐAMH Q trình & Thiết bị GVHD : Phan Đình Tuấn
Theođđồ thị trên ta chọn giá trị tỉ số hồi lưu thích hợp R = 2,48
IV . PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LÀM VIỆC - SỐ MÂM LÝ THUYẾT:
1 . Phương trình đường làm việc của đoạn cất:
y =
11 +
+
+ R
x
x
R
R
D
=
148,2
983,0
148,2
48,2
+
+
+
x
= 0,771.x + 0,284

2 . Phương trình đường làm việc phần chưng:
-Phương trình đường làm việc của phần chưng
y=
x
R
fR
1+
+
-
1
1
+
−
R
f
x
W
=1,37x -0.0044
với f=
WF
WD
xx
xx
−
−
=
012,044,0
012,0983,0
−
−

=2,27
Trang 13
(R+1).N
lt
R
ĐAMH Q trình & Thiết bị GVHD : Phan Đình Tuấn
Hình 2: Đồ thị xác định số mâm lý thuyết chưng hệ Benzen – Toluen tại P = 1atm
3 . Số đĩa lý thuyết :
Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết :
Dựng đường làm việc của tháp bao gồm đường làm việc phần cất và phần
chưng. Trên đồ thò y-x ta lần lượt vẽ các đường bậc thang từ đó xác đònh được số
đĩa lý thuyết là14.56 đĩa, ta lấy tròn 15
Từ đồ thò, ta có : 15 đĩa bao gồm : 6 mâm cất
1 mâm nhập liệu
6 mâm chưng (5 mâm chưng + 1 nồi đun)
Tóm lại, số đĩa lý thuyết là N
lt
= 15 mâm.
V . XÁC ĐỊNH SỐ MÂM THỰC TẾ:
có nhiều phương pháp xác định số mâm thực của tháp, ngoại trừ các ảnh hưởng của thiết
kế cơ khí tháp thì ta có thể xác định số mâm thực dựa vào hiệu suất trung bình:
N
t
= N
lt
/η
tb
Trong đó: N
t
– số đĩa thực tế, N

lt
- số đĩa lý thuyết, η
tb
– hiệu suất trung bình của thiết bị
η
tb
=
n
nnnn
n
++++ ....
321
Trong đó n
i
- hiệu suất của các bậc thay đổi nồng độ, n - số vị trí tính hiệu suất
Trong trường hợp này ta tính
Trang 14
x
y
x
ĐAMH Quá trình & Thiết bị GVHD : Phan Đình Tuấn
η
tb
=
3
WFD
nnn ++
Với
D
n

F
n
W
n
- lần lượt là hiệu suất ở đĩa trên cùng, hiệu suất ở đĩa nhập liệu và hiệu suất ở
đĩa dưới cùng
- Xác định
D
n

ta có: T
đ
(nhiệt độ đỉnh tháp) = 80
0
C, x
D
= 0,983 suy ra y
D
= 0,994 sử dụng bảng I.101
trang 91 STT1 tra và nội suy các giá trị độ nhớt µ
B
= 0,316.10
-3
N.s/m
2
, µ
T
= 0,319.10
-3
N.s/m

2
.
Độ nhớt của hỗn hợp lg µ
hh
= x
D
.lgµ
B
– (1- x
D
).lg µ
T
(theo công thức I.12 trang 84
[ ]
5
)
 µ
hh
= 0,316. 10
-3
N.s/m
2
(= 0.316cP)
Và độ bay hơi tương đối α =
x
x
y
y −
−
1

.
1
=
983.0
983.01
.
994.01
994.0 −
−
= 2,87
 α. µ
hh
= 2,87.0,316 = 0,905, theo hình IX.11 trang 171 thì
D
n
= 0,53
- Xác định
F
n
, tương tự như trên ta có:
T
F
(nhiệt độ đĩa nhập liệu) = 94
0
C, x
f
= 0,44 suy ra y
D
= 0,643 sử dụng bảng I.101 trang 91
[ ]

5
tra và nội suy các giá trị độ nhớt µ
B
= 0,277.10
-3
N.s/m
2
, µ
T
= 0,291.10
-3
N.s/m
2
.
Độ nhớt của hỗn hợp lg µ
hh
= x
D
.lgµ
B
– (1- x
D
).lg µ
T
(theo công thức I.12 trang 84
STT1)  µ
hh
= 0,293. 10
-3
N.s/m

2
(= 0,293 cP)
Và độ bay hơi tương đối α =
x
x
y
y −
−
1
.
1
=
44.0
44.01
.
643.01
643.0 −
−
= 2,29
 α. µ
hh
= 2,29.0,293 = 0,672, theo hình IX.11 trang 171 thì
D
n
= 0,58
- Xác định
w
n
, tương tự như trên ta có:
T

w
(nhiệt độ đĩa dưới cùng) = 110
0
C, x
w
= 0,012 suy ra y
D
= 0,065 sử dụng bảng I.101
trang 91
[ ]
5
tra và nội suy các giá trị độ nhớt µ
B
= 0,239.10
-3
N.s/m
2
, µ
T
= 0,250.10
-3
N.s/
m
2
.
Độ nhớt của hỗn hợp lg µ
hh
= x
D
.lgµ

B
– (1- x
D
).lg µ
T
(theo công thức I.12 trang 84
[ ]
5
)
 µ
hh
= 0,249. 10
-3
N.s/m
2
(= 0,249 cP)
Và độ bay hơi tương đối α =
x
x
y
y −
−
1
.
1
=
012.0
012.01
.
0365.01

0365.0 −
−
= 3,12
 α. µ
hh
= 3,12.0,249 = 0,777, theo hình IX.11 trang 171 thì
D
n
= 0.62
η
tb
=
3
WFD
nnn ++
=
3
62,058,053,0 ++
= 0.58
Suy ra số mâm thực :
N
t
= N
lt
/η
tb
= 15/0,58 = 25,8 lấy tròn 26 mâm
Trang 15
ĐAMH Q trình & Thiết bị GVHD : Phan Đình Tuấn
Chương 4 :

TÍNH TOÁN THÁP CHƯNG CẤT
* Đường kính tháp chưng cất (D
t
) :
tbyy
tb
g
)ω.(
0188,0
ω.3600.π
4V
D
tb
tb
t
ρ
==
(m)
V
tb
:lượng hơi trung bình đi trong tháp m
3
/h.
ω
tb
:tốc độ hơi trung bình đi trong tháp m/s.
g
tb
: 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.
I. Đường kính đoạn cất :
1 . Lượng hơi trung bình đi trong tháp ở đoạn cất :
2
1
gg
g
d
tb
+
=
kg/h
g
d
: lượng hơi ra khỏi đóa trên cùng của tháp kg/h
g
1
: lượng hơi đi vào đóa dưới cùng của đoạn cất kg/h
• Xác đònh g
d
:
g
d
= D.(R+1) =2,07.(2,48+1) = 7,204 kmol/h
= 563,93 kg/h
(Vì M
hD
=78.y
D
+(1-y

D
).92 = 78,28 kg/kmol)
• Xác đònh g
1
: Từ hệ phương trình :





=
+=
+=
dd
D
rgrg
xDxGyg
DGg
..
...
11
1111
11
(IV.1)
Với:
G
1
: lượng lỏng ở đóa thứ nhất của đoạn cất .
r
1

: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đóa thứ nhất của đoạn cất
r
d
: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi ra ở đỉnh tháp .
* Tính r
1
: t
1
= t
Fs
= 94
o
C , tra bảng I.212, trang 254, [5] ta có :
Ẩn nhiệt hoá hơi của Benzen : r
B1
= 383,1 kJ/kg.
Ẩn nhiệt hoá hơi của Toluen : r
T1
= 371,3 kJ/kg.
Suy ra : r
1
= r
B1
.y
1
+ (1-y
1
).r
T1
= 373,1y

1
- 11,8y
1
 r
1
= 373,1y
1
- 11,8y
1
kJ/kg
* Tính r
d
: t
D
= 80
o
C , tra bảng I.212, trang 254, [5] ta có :
Ẩn nhiệt hoá hơi của Benzen : r
Bd
= 393,3 kJ/kg.
Ẩn nhiệt hoá hơi của Toluen : r
Td
= 378,3 kJ/kg .
Suy ra : r
D
= r
Bd
.y
D
+ (1-y

D
).r
Td
= 393,3.0,99 + 378,3.0,01
 r
D
= 393,15 kJ/kg
(với x
D
= 0,983 suy ra y
D
theo phân khối lượng là 0,99)
* x
1
= x
F
= 0,4(ta coi n)
Trang 16
ĐAMH Q trình & Thiết bị GVHD : Phan Đình Tuấn
Giải hệ (IV.1) , ta được : G
1
= 593,3 kg/h
y
1
= 0,524 (phân khối lượng benzen)
g
1
= 755,1 kg/h
Vậy : g
tb

=
5,659
2
1,75593,563
=
+
kg/h
2 . Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp ở đoạn cất :
Vận tốc hơi đi trong tháp ở đoạn cất:
( )
[ ]
ytbxtb
tb
yy
hw
ρρσϕρ
..065,0. =
Với : ρ
xtb
: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng kg/m
3
.
ρ
ytb
: khối lượng riêng trung bình của pha hơi kg/m
3
.
h: khoảng cách mâm (chọn h = 0,3 ứng với D = 0,6-1,2m)
[ ]
σϕ

: hệ số tính đến sức căng bề mặt
• Xác đònh ρ
ytb
:
( )
[ ]
( )
273.4,22
273.92.178.
+
−+
=
tb
tbtb
ytb
t
yy
ρ

Với: + Nồng độ phân mol trung bình : y
tb
=
2
1 D
yy +
=
2
99,0468,0 +
= 0,725
+ Nhiệt độ trung bình đoạn cất : t

tb
=
2
1 D
tt +
=
2
5,805,98 +
= 89,5
o
C
Suy ra : ρ
ytb
=2,752 kg/m
3
.
• Xác đònh ρ
xtb
:
Nồng độ phân mol trung bình : x
tb
=
2
DF
xx +
=
2
983,044,0 +
= 0,692
Suy ra :

92).1(.78
.78
tbtb
tb
tb
xx
x
x
−+
=
= 65,5 %.
t
tb
= 89,5
o
C , tra bảng I.2, trang 9, [5], ta có :
3
/804 mkg
benzen
=
ρ
3
/798 mkg
toluen
=
ρ
toluen
tb
benzen
tb

xtb
xx
ρρρ
−
+=
11
ρ
xtb
= 802 kg/m
3
Xác định
[ ]
σϕ
: hệ số tính đến sức căng bề mặt
Ta có:
cmdynmN
hh
TBhh
/7,10/10.7,10
10.5,21
1
10.3,21
1111
3
33
==⇒+=+=
−
−−
σ
σσσ

Với:
B
σ
=21,3.10
-3
N/m,
T
σ
= 21,5.10
-3
N/m (số liệu tra từ bảng I.242 trang 300 STT1)
Ta thấy
hh
σ
< 20 theo STT2 – tr184 chọn
[ ]
σϕ
= 0,8

( )
[ ]
smkghw
ytbxtb
tb
yy
./33,1752,2.802.3,0.8,0.065,0..065,0.
2
===
ρρσϕρ

m
g
tbyy
tb
419,0
33,1
5,659
.0188,0
)ω.(
0188,0D
t
===
ρ
Trang 17
ĐAMH Q trình & Thiết bị GVHD : Phan Đình Tuấn
Tốc độ hơi trung bình đi trong đoạn cất:
( )
sm
w
w
y
tb
yy
y
/483,0
752,2
33,1
.
' ===
ρ

ρ
II. Đường kính đoạn chưng :
1 . Lượng hơi trung bình đi trong tháp ở đoạn chưng :
2
1
,,
,
gg
g
n
tb
+
=
; kg/h
g’
n
: lượng hơi ra khỏi đoạn chưng ; kg/h.
g’
1
: lượng hơi đi vào đoạn chưng ; kg/h.
• Xác đònh g’
n
: g’
n
= g
1
= 755,1 kg/h
• Xác đònh g’
1
: Từ hệ phương trình :






==
+=
+=
1111
1
'
1
1
'
1
'
1
'
.'.''.'
..'.
rgrgrg
xWygxG
WgG
nn
WW
(IV.2)
Với : G
’
1
: lượng lỏng ở đóa thứ nhất của đoạn chưng .

r’
1
: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đóa thứ nhất của đoạn chưng.
* Tính r’
1
: x
W
=0,012(phần mol) tra đồ thò cân bằng của hệ ta có : y*
W
=0,016(phần mol), tương đương với nồng độ khối lượng là y*
W
= 0,014(phần khối lượng)
t’
1
= t
W
= 110
o
C, tra bảng I.212, trang 254, [5], ta có :
Ẩn nhiệt hoá hơi của Benzen : r’
B1
= 370,56 kJ/kg.
Ẩn nhiệt hoá hơi của Toluen : r’
T1
= 362,20 kJ/kg.
 r’
1
= r’
B1
.y

W
+ (1-y
W
).r’
T1
=362,3 kJ/kg
* Tính r
1
: t
1
= t
Fs
= 94
o
C , tra bảng I.212, trang 254, [5] ta có :
Ẩn nhiệt hoá hơi của Benzen : r
B1
= 383,1 kJ/kg.
Ẩn nhiệt hoá hơi của Toluen : r
T1
= 371,3 kJ/kg.
r
1
= r
B1
.y
1
+ (1-y
1
).r

T1
= 378,9 kJ/kg
* W = 240,6 kg/h
Giải hệ (IV.2) , ta được : x’
1
= 0,0135 (phân mol)
G
’
1
= 1030,3 kg/h
g’
1
= 789,7kg/h
Vậy : g’
tb
=
4,772
2
1,7557,789
=
+
kg/h
2 . Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp ở đoạn chưng :
Vận tốc hơi đi trong tháp ở đoạn chưng:
( )
[ ]
ytbxtb
tb
yy
hw

ρρσϕρ
..065,0. =
Với : ρ
xtb
: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng kg/m
3
.
ρ
ytb
: khối lượng riêng trung bình của pha hơi kg/m
3
.
h: khoảng cách mâm (chọn h = 0,3 ứng với D = 0,6-1,2m)
[ ]
σϕ
: hệ số tính đến sức căng bề mặt
• Xác đònh ρ
ytb
:
( )
[ ]
( )
273.4,22
273.92.178.
+
−+
=
tb
tbtb
ytb

t
yy
ρ
Trang 18
ĐAMH Q trình & Thiết bị GVHD : Phan Đình Tuấn
Với: + Nồng độ phân mol trung bình : y
tb
=
2
1 D
yy +
=
2
014,0468,0 +
= 0,241
+ Nhiệt độ trung bình đoạn chưng : t
tb
=
2
1 W
tt +
=
2
1105,98 +
= 104,2
o
C
Suy ra : ρ
ytb
=2,96 kg/m

3
.
• Xác đònh ρ
xtb
:
Nồng độ phân mol trung bình : x
tb
=
2
WF
xx +
=
2
012,044,0 +
= 0,226
Suy ra :
92).1(.78
.78
tbtb
tb
tb
xx
x
x
−+
=
= 18,8 %.
t
tb
=

2
WF
tt +
=
=
+
2
11093
101,5
o
C , tra bảng I.2, trang 9,
[ ]
5
, ta có :
3
/793 mkg
benzen
=
ρ
3
/788 mkg
toluen
=
ρ
toluen
tb
benzen
tb
xtb
xx

ρρρ
−
+=
11
Suy ra: ρ
xtb
= 789 kg/m
3

Xác định
[ ]
σϕ
: hệ số tính đến sức căng bề mặt
Ta có:
cmdynmN
hh
TBhh
/3,10/10.3,10
10.5,21
1
10.8,18
1111
3
33
==⇒+=+=
−
−−
σ
σσσ
Với:

B
σ
=18,8.10
-3
N/m,
T
σ
= 21,5.10
-3
N/m (số liệu tra từ bảng I.242 trang 300
[ ]
5
)
Ta thấy
hh
σ
< 20 theo STT2 – tr184 chọn
[ ]
σϕ
= 0,8

( )
[ ]
38,196,2.7,789.3,0.8,0.065,0..065,0. ===
ytbxtb
tb
yy
hw
ρρσϕρ

m
g
tbyy
tb
444,0
38,1
4,772
.0188,0
)ω.(
0188,0D
t
===
ρ
Tốc độ hơi trung bình đi trong đoạn chưng:
( )
sm
w
w
ytb
tb
yy
y
/466,0
96,2
38,1
.
' ===
ρ
ρ

Kết luận : hai đường kính đoạn cất và đoạn chưng không chênh lệch nhau quá lớn
nên ta chọn đường kính của toàn tháp là : D
t
= 0,50 m.
Khi đó tốc độ hơi ở chế độ làm việc thực:
+ Phần cất : ωlv =
339,0
752,2.50,0
5,659.0188,0
.
.0188,0
2
2
2
2
==
tb
yt
tb
D
g
ρ
m/s
+ Phần chưng : ω
lv
=
369,0
96,2.50,0
4,772.0188,0
.

.0188,0
2
2
2
2
==
tb
yt
tb
D
g
ρ
m/s.
* chiều cao tháp chưng cất (D
t
) :
H = N
t
(H
đ
+ δ) + (0,8 ÷ 1), m (cơng thức IX.54- STT2 -Tr.169)
Trong đó N
t
- số đĩa thực tế; δ bề dày của đĩa, m; 0,8 ÷ 1 – khoảng cách cho phép ở
đỉnh và đáy thiết bị, m; H
đ
– khoảng cách giữa các đĩa, m
Trang 19
ĐAMH Quá trình & Thiết bị GVHD : Phan Đình Tuấn
H = 26.(0,25 +0,004 ) +0,8 = 7,4 m lấy tròn là H = 7,5 m

Trong đó bề dày đĩa δ = 0,004 m tính ở phần bề dày đĩa
Vậy kết luận chiều cao tháp H = 7,5 m
III. Tr ở lực của tháp chóp :
Trở lực của tháp chóp bao gồm: tổn thất áp suất khi dòng khí đi qua đĩa khô, tổn thất do
sức căng bề mặt, tổn thất thất do lớp chất lỏng trên đĩa và bỏ qua sự biến đổi chiều cao
lớp chất lỏng trên đĩa
Trở lực của tháp chóp được xác định the công thức:
2
/,. mNPNP
dtt
∆=∆
Trong đó N
tt
– số đĩa thực tế của tháp;
d
P∆
- tổng trở lực của một đĩa, N/m
2
d
P∆
=
k
P∆
+
s
P∆
+
t
P∆
k

P∆
- trở lực đĩa khô, N/m
2
s
P∆
- trở lực đĩa do sức căng bề mặt, N/m
2
t
P∆
- Trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa, N/m
2
 Trở lực của đĩa khô
k
P∆
:
k
P∆
=
2
.
0
2
w
y
ρ
ξ
Trong đó:
ξ
- hệ số trở lực, thường chọn
ξ

= 4,5 – 5(ở đây ta chọn
ξ
= 5);
y
ρ
- khối
lượng riêng của pha hơi, kg/m
3
; w
0
– tốc độ khí qua rãnh chóp, m/s
Với khối lượng riêng pha hơi đi trong toàn tháp:
3
/856,2
2
96,2752,2
mkg
y
=
+
=
ρ
Vận tốc khí trung bình đi qua một rãnh của chóp(phần tính toán chóp ta chọn một đĩa
10 chóp, một chóp 10 rãnh), vậy:
smw /4,35
10
1
10
1
2

339.0369,0
0
=
+
=
Suy ra:
k
P∆
=
2
2
0
2
/3,8045
2
4,35.586,2
.5
2
.
mN
w
y
==
ρ
ξ
 Trở lực do sức căng bề mặt
s
P∆
, N/m
2

s
P∆
=
tđ
d
σ
.4
, N/m
2
Trong đó
σ
- sức căng bề mặt, N/m; d
tđ
– đường kính tương đương của khe rãnh
chóp,m
Khi rãnh chóp mở hoàn toàn: d
tđ
=
Π
x
f.4
Ở đây
x
f
- diện tích tiết diện tự do của rãnh.
x
f
= a.b = 5.10 = 50mm
2
với a,b là bề

rộng và chiều cao của rãnh chóp, mm.
Π
- chu vi rãnh chóp,
Π
= 2.(a+b) = 30mm
Suy ra: d
tđ
=
mmm
f
x
3
10.67,667,6
30
50.4
.4
−
===
Π
Vậy
s
P∆
=
2
3
3
/296,6
10.67,6
10.5,10.4.4
mN

d
tđ
==
−
−
σ
, với
σ
là sức căng bề mặt trung bình của
phần chưng và phần cất, như ta đã tính ở phần vận tốc hơi đi trong tháp thì
Trang 20
ĐAMH Quá trình & Thiết bị GVHD : Phan Đình Tuấn

σ
cất
= 10,7.10
-3
N/m,
σ
chưng
= 10,3.10
-3
N/m,
suy ra
σ
=
3
10.5,10
2
−

=
+
chungcât
σσ
N/m
 Trở lực của chất lỏng trên đĩa
t
P∆
, N/m
2
(trở lực thủy tĩnh)
t
P∆
=






−
2
.
b
hg
bb
ρ
, N/m
2
Trong đó b – chiều cao khe chóp, m;

b
ρ
- khối lượng riêng bọt, kg/m
3
; hb – chiều cao
của lớp bọt trên đĩa, m; g – gia tốc trọng trường, m/s
2
+ Khối lượng riêng bọt
b
ρ
= 0,5
x
ρ
= 0,5.795,5 = 379,75 kg/m
3
, với
x
ρ
- khối lượng
riêng trung bình pha lỏng phần chưng và phần cất,
x
ρ
=
3
/5,795
2
802789
2
mkg
chungcât

=
+
=
+
ρρ
+ h
b
– chiều cao lớp bọt lấy bằng hai lần chiều cao lớp chất lỏng trên đĩa, theo phần
tính toán cho đĩa thì chiều cao lớp chất lỏng trên đĩa là 25mm, vậy h
b
= 50mm
+b – chiều cao khe chóp, tính toán ở phần chóp ta có b = 10mm
Suy ra:
t
P∆
=
2
/6,167
2
01,0
05,081,9.75,379
2
. mN
b
hg
bb
=







−=






−
ρ
Tổng trở lực của 1 đĩa:
d
P∆
=
k
P∆
+
s
P∆
+
t
P∆
= 8045,3 + 6,296 + 167,6 = 8219,2N/m
2
Trở lực của toàn tháp:
2
/39,164382,8219.25. mNPNP
dtt

==∆=∆
Kết luận: Trở lực của toàn tháp
P∆
= 16438,39 N/m
2
Trang 21
ĐAMH Q trình & Thiết bị GVHD : Phan Đình Tuấn
CHƯƠNG 5:
CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG
I. CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG CHO THIẾT BỊ NGƯNG TỤ :
Q
nt
=(R+1)D.r
D
kW
Q
nt
: nhiệt ngưng tụ, kW
•Với r
D
=
D
x
.r
B
+(1-
D
x
).r
T

•Tại x
D
= 0,98 tra bảng IX-2a trang 135 STT2 ta có T
D
= 80 . Tại nhiệt độ này ta có:
r
B
= 392,4.10
3
J/kg và r
T
=377,8.10
3
J/kg
r
D
= 0,98 x 392,4.10
3
+ 0,02 x 377,8.10
3
= 392,108.10
3
J/kg
Do đó Q
nt
=
3600
2,07.78,28
. 392,108 (2.48+1) = 61,42 kW
II. CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG CHO THIẾT BỊ GIA NHIỆT DỊNG NHẬP

LIỆU ĐẾN NHIỆT ĐỘ SƠI :
Q
F
=C
F
.F(T
F
- T
Vào
), kW
•Tại x
F
= 0,44 nội suy từ bảng IX-2a trang 146 STT2 ta có T
F
= 94
o
C
Nhiệt dung riêng của nhập liệu tra ở nhiệt độ trung bình t =
2
2594 +
=59,5
o
C
tại nhiệt độ này ta có C
B
=1930 J/kgđộ , C
T
=1900 J/kgđộ (Bảng I.153 TR171-172
[ ]
5

).
Ta có C
F
=
F
x
C
B
+ (1-
F
x
)C
T
= 0,4.1930+ (1-0,4).1900 = 1913,2 J/kgđộ Do đó
Q
F
=1913,2.
3600
4,87.86,4
(94 -25) = 15,43 kW
Nếu coi tổn thất trên đường nhập liệu bằng 5% thì Q
F
= 1,05.15,43=16,2 Kw
III. CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG CHO THIẾT BỊ LÀM NGUỘI SẢN PHẨM
ĐÁY TỪ NHIỆT ĐỘ 110
O
C XUỐNG 35
O
C :
Q

W
= WC
W
(T
W
- T
Wra
), kW
Nhiệt dung riêng được xác đònh ở nhiệt độ trung bình T=
2
35110 +
=72,5
o
C . Tại nhiệt độ
này ta nội suy từ bảng I.153 TR171-172-
[ ]
5
ta có : C
B
=1983 J/kgđộ,
C
T
=1952J/kgđộ
Nên C
W
=
w
x
C
B

+ (1-
w
x
)C
T
= 0,01. 1983 + (1-0,01).1952= 1952,31 J/kgđộ
Do đó Q
W
=
3600
91,86 2,8.
.1952,31.(110-35)=11,86, kW
IV. CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG CHO THIẾT BỊ LÀM NGUỘI SẢN PHẨM
ĐỈNH TỪ NHIỆT ĐỘ 80
O
C XUỐNG 35
O
C :
Q
D
=C
D
.D(T
D
- T
Dra
), kW
Nhiệt dung riêng cũng được xác đònh ở nhiệt độ trung bình T=
2
3580 +

=57,5
o
C . Tại
nhiệt độ này ta nội suy các giá trị nhiệt dung riêng ở bảng I.153 TR171-172-
[ ]
5
:
C
B
=1877.5 J/kgđộ , C
T
=1850 J/kgđộ
Tương tự ta tính được C
D
=1877 J/kgđộ
Trang 22
ĐAMH Q trình & Thiết bị GVHD : Phan Đình Tuấn
Do đó Q
D
=
3600
4,86.07,2
.1877 .(80-35)=5,13 kW
V. NHIỆT LƯỢNG CUNG CẤP CHO ĐÁY THÁP :
Từ cân bằng nhiệt lượng ta có:
Q
T
= Q
nt
+ Q

W
+ Q
D
– Q
F
+ Q
f
=1,05.( 61,42 + 11,86 + 5,13- 16,2 ) = 65,32 kW
Q
f
: là lượng nhiệt tổn thất, ta lấy khoảng 5% tổng lượng nhiệt có ích cung cấp cho đáy
tháp
Trang 23
ĐAMH Q trình & Thiết bị GVHD : Phan Đình Tuấn
CHƯƠNG 6:
TÍNH TỐN CƠ KHÍ
I . THÂN THÁP :
1. Bề dày thân :
Vì thiết bò hoạt động ở áp suất thường nên ta thiết kế thân hình trụ bằng phương pháp
hàn hồ quang điện, kiểu hàn giáp mối 2 phía. Để đảm bảo chất lượng của sản phẩm và
khả năng ăn mòn của benzen đối với thiết bò, ta chọn thiết bò thân thiết bò là thép không
gỉ mã X18H10T. Thân tháp được ghép với nhau bằng mối ghép bích. Vì tháp làm việc với
nhiệt độ lớn hơn 100
0
C nên cần phải bọc cách nhiệt cho tháp.
 Các thông số cần tra và chọn phục vụ cho quá trình tính toán :
 Nhiệt độ tính toán : t = t
max
+ 20 = 110 + 20 = 130
0

C
 Áp suất tính toán :
Vì tháp hoạt động ở áp suất thường nên ta coi áp suất tính tốn bằng với áp suất thủy tĩnh
lớn nhất tác dụng lên đáy tháp. Điều kiện nguy hiểm nhất chọn để tính tốn đó là tháp chứa
đầy Toluene ở nhiệt độ 30
0
C khi đó khối lượng riêng của Toluene ρ
T
= 856,5 kg/m
3
Nên: P

= (H
thân
+ 2H
nắp
).g.ρ
T
= (7,5 + 2.0,15).9,81.856,5 = 61328 N/m
2
≈ 0,0613 N/mm
2

Với dung tích tháp nhỏ hơn 30m
3
ta chọn theo bảng 1.1 tr10- Tính tốn thiết kế chi tiết thiết
bị hóa chất dầu khí – Hồ Lê Viên thì áp suất tính tốn P = 0,01N/mm
2
, nên ta chọn áp suất
tính tốn theo điều kiện nguy hiểm nhất như trên đã tính.

với H
nắp
= h + h
t
= 125 +25 =150 mm(tính ở phần đáy nắp).
Hệ số bổ sung do ăn mòn hóa học của mơi trường:
Chọn hệ số bổ sung do ăn mòn hóa học C
a
= 1 mm
 Ứng suất cho phép tiêu chuẩn: của X18H10T
[σ]
*
= 140 N/mm
2
(Hình 1.2, trang 16,
[ ]
7
Hệ số hiệu chỉnh: η = 1
 Ứng suất cho phép: [σ] = η [σ]
*
= 140 N/mm
2
(chọn η = 1)
 Hệ số bền mối hàn:
Vì dùng phương pháp hàn hồ quang điện kiểu hàn giáp mối hai phía
⇒ ϕ
h
= 0,95 (Bảng XIII.8, trang 362,
6
)

 Tính bề dày: Cho thân trụ hàn chịu áp suất trong
25161895,0
061,0
140][
>=×=
h
P
ϕ
σ
Nên ta tính bề dày thân theo cơng thức 5.3 tr96 –
[ ]
7
Bề dày tối thiểu: S’ =
mm
DP
h
t
197,0
95,0.140.2
500.105,0
][2
.
==
ϕσ
⇒ S’ + C
a
= 0,197 + 1 = 1,197 mm
Quy tròn theo chuẩn: S = 2 mm, tuy nhiên dựa vào bảng 5.1 trg 94 -
[ ]
7

Tính kiểm tra bền: Cho thân trụ hàn chịu áp suất trong
Điều kiện:
1,0
≤
−
t
a
D
CS
⇔
1,0
500
14
≤
−
⇔ 0,006 ≤ 0,1 (thỏa)
Nên:
)14(500
)14(95,01402
)(
)(][2
][
−+
−×××
=
−+
−
=
at
ah

CSD
CS
P
ϕσ
= 1,586 > P = 0,061 N/mm
2
: thỏa
Vậy kết luận: bề dày thân tháp S = 4mm, đường kính ngồi tháp D
n
= 500 + 2.4 =508 mm
II. Tính Tốn Chóp :
Trang 24
ĐAMH Q trình & Thiết bị GVHD : Phan Đình Tuấn
Chọn chóp sử dụng trong tháp là chóp tròn
+ Đường kính ống hơi: d
h
= 26 mm
+ Số chóp phân bố trên đĩa: n = 10 chóp
Chọn số chóp n = 10, với khoảng cách giữa tâm của hai chóp 100mm
+ Chiều cao chóp tính từ mặt đĩa đến đỉnh chóp 70mm
+ Đường kính trong của chóp 46mm
Với:
ch
δ
- bề dày chóp, thường lấy 2 mm - 3 mm, ta chọn 2 mm
Suy ra đường kính ngồi của chóp 50mm
+ Khoảng cách từ mặt đĩa đến chân chóp S = 15 mm
+ Chiều cao gờ chảy tràn 45mm
+ Chiều cao khe chóp
x

y
y
g
w
b
ρ
ρξ
.
.
2
=
Với
5,3
10.05,0..3600
245.4
...3600
4
22
===
π
π
nd
V
w
h
y
y
, V
y
– lưu lượng hơi đi trong tháp, m

3
/h;
ξ
-
hệ số trở lực của đĩa chóp, thường lấy bằng 1,5 -2;
y
ρ

x
ρ
- khối lượng riêng trung bình của
pha hơi và pha lỏng, kg/m
3
Suy ra
==
790.81,9
8,2.5,3.2
2
b
0,0218 m, chọn b = 25 mm
+ Chọn bề rộng khe chóp 5mm
+ Chọn khoảng cách lớn nhất từ gờ chảy chuyền đến thân tháp 60mm(bề dày 4mm)
+ Chọn khoảng cách từ gờ chảy tràn đến thân tháp 80mm(bề dày 4mm)
+ Bố trí các chóp trên đĩa sao cho 3 chóp liên tiếp nhau tạo thành hình tam giác đều
III . Tính Tốn Đáy và Nắp Thiết Bị
Chọn đáy và nắp có dạng hình ellip tiêu chuẩn, có gờ, làm bằng thép X18H10T
Ta có:
2594095,0
105,0
140][

>=×=
h
P
ϕ
σ
Nên bề dày đáy và nắp chịu áp suất trong tính theo cơng thức 6.9 (Tính tốn các chi tiết
thiết bị hóa chất và dầu khí –Hồ Lê Viên)
a
hk
t
C
PR
S
+=
ϕσ
]..[2
.
Trong đó S – bề dày đáy nắp, mm;
t
t
t
h
D
R
.4
2
=
– bán kính cong bên trong ở đỉnh đáy(nắp),
m;
h

ϕ
- hệ số bền mối hàn (lấy bằng 0,95);
][
k
σ
- giới hạn bền kéo của vật liệu với X18H10T
thì [σ
k
] =540.10
6
N/m
2
; P – áp suất tính tốn N/m
2
; Ca – hệ số ăn mòn, mm
00105,0001,0
95,0.10.540.2
105,0.500
]..[2
.
6
=+=+=
a
hk
t
C
PR
S
ϕσ
Trang 25