Thiết kế thiết bị chưng cất hỗn hợp BENZENE – TOLUEN sử dụng tháp mâm chóp với năng suất 5m3/h

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA KỸ THUẬT HĨA HỌC
BỘ MƠN Q TRÌNH & THIẾT BỊ

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ KỸ THUẬT HÓA HỌC
THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHƯNG CẤT HỖN HỢP BENZENE –
TOLUEN SỬ DỤNG THÁP MÂM CHÓP VỚI NĂNG SUẤT 5m3/h
GVHD: Thầy Nguyễn Sĩ Xuân Ân
Lớp: HC17HLY

TP. HCM, 2020


Đồ án Thiết kế KTHH

GVHD: thầy Nguyễn Sĩ Xuân Ân

MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU.................................................................................................................... 6
1. Chương I: Giới thiệu...................................................................................................... 7
2. Chương 2: Tổng quan.................................................................................................... 7
2.1 Giới thiệu nguyên liệu:.............................................................................................. 7
2.1.1 Benzen:............................................................................................................... 7
2.1.2 Toluen:................................................................................................................ 8
2.2 Tổng quan về quá trình chưng cất:............................................................................ 8
2.2.1 Khái niệm:........................................................................................................... 8
2.2.2 Các phương pháp chưng cất:............................................................................... 9
2.2.3 Các thiết bị chưng cất:......................................................................................... 9
3. Chương 3: Quy trình công nghệ................................................................................... 11
4. Chương 4: Cân bằng vật chất và năng lượng............................................................... 12

4.1 Cân bằng vật chất:................................................................................................... 12
4.1.1 Xác định suất lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy thu được:.......................12
4.1.2 Xác định tỷ số hoàn lưu:................................................................................... 14
4.1.3 Xác định phương trình đường làm việc:........................................................... 15
4.1.4 Xác định số mâm lý thuyết:............................................................................... 15
4.1.5 Xác định số mâm thực tế................................................................................... 16
4.2 Cân bằng năng lượng:.............................................................................................. 19
4.2.1 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu:................................ 19
4.2.2 Cân bằng nhiệt lượng cho tháp chưng cất:........................................................ 21
4.2.3 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ....................................................... 25
4.2.4 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm nguội:.................................................... 26
5. Chương 5: Tính tốn thiết bị chính.............................................................................. 26
5.1 Tính đường kính tháp:............................................................................................. 26
5.1.1 Tính đường kính đoạn cất:................................................................................ 27
5.1.2 Tính đường kính đoạn chưng:........................................................................... 30
2


Đồ án Thiết kế KTHH

GVHD: thầy Nguyễn Sĩ Xuân Ân

5.2 Tính chiều cao tháp:................................................................................................ 33
5.3 Tính kết cấu của tháp mâm chóp:............................................................................ 34
5.3.1 Phần chưng:....................................................................................................... 34
5.3.1 Phần cất:............................................................................................................ 37
5.4 Tính trở lực của tháp:.............................................................................................. 39
5.5 Kiểm tra sự hoạt động của chóp:............................................................................. 42
6. Chương 6: Tính tốn cơ khí......................................................................................... 43
6.1 Các thơng số ban đầu:.............................................................................................. 43

6.2 Tính bền thân chịu áp suất trong:............................................................................ 44
6.3 Tính bền đáy và nắp:............................................................................................... 44
6.4 Tính tốn mặt bích nối thân nắp đáy:...................................................................... 45
6.5 Đường kính các ống dẫn – Bích ghép các ống dẫn:................................................. 46
6.6 Tính tốn chân đỡ.................................................................................................... 49
6.6.1 Tính trọng lượng tháp:...................................................................................... 49
6.6.2 Tính chân đỡ tháp:............................................................................................ 50
7. Chương 7: Tính tốn thiết bị phụ................................................................................. 51
7.1 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh:............................................................................ 51
7.2 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh:.......................................................................... 54
7.3 Thiết bị đun sôi đáy tháp:........................................................................................ 57
7.4 Thiết bị đun sôi nhập liệu:....................................................................................... 60
7.5 Bơm:........................................................................................................................ 63
KẾT LUẬN...................................................................................................................... 68
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................ 69

3


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1: So sánh ưu nhược điểm các loại tháp................................................................... 10
Bảng 2:thị thành phần cân bằng lỏng - hơi và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Benzen – Toluen ở
760 mmHg........................................................................................................................ 14
Bảng 3: Trở lực mâm khô................................................................................................. 40
Bảng 4: Trở lực mâm do sức căng bề mặt......................................................................... 41
Bảng 5: Trở lực lớp chất lỏng trên mâm........................................................................... 42
Bảng 6: Thơng số mặt bích nối thân nắp đáy.................................................................... 45
Bảng 7: Thơng số mặt bích nối ống dẫn sản phẩm đáy..................................................... 46
Bảng 8:Thơng số mặt bích nối ống dẫn nhập liệu............................................................. 47
Bảng 9: Thơng số mặt bích nối ống dẫn hơi ra khỏi thiết bị............................................. 48

Bảng 10: Thơng số mặt bích nối ống dẫn hơi vào đáy tháp.............................................. 48
Bảng 11: Thông số mặt bích nối ống dẫn lỏng hồn lưu................................................... 49
Bảng 12: Thông số của chân đỡ........................................................................................ 50


DANH MỤC HÌNH
Hình 1: Đồ thị thị thành phần cân bằng lỏng - hơi và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Benzen –
Toluen ở 760 mmHg......................................................................................................... 15
Hình 2: Đồ thị xác định số mâm lý thuyết........................................................................ 16
Hình 3: Giản đồ xác định hiệu suất trung bình của thiết bị............................................... 17
Hình 4: Kết cấu chóp........................................................................................................ 34
Hình 5: Kết cấu chân đỡ................................................................................................... 50


LỜI MỞ ĐẦU
Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển đóng góp to lớn cho nền cơng nghiệp nước
ta nói riêng và thế giới nói chung. Một trong những ngành có đóng góp vơ cùng to lớn đó
là ngành cơng nghiệp hoá học, đặc biệt là ngành sản xuất các hố chất cơ bản.
Hiện nay, các ngành cơng nghiệp cần sử dụng rất nhiều hố 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, cơ đặc, hấp thu … Tuỳ theo
đặc tính u cầu của sản phẩm mà ta có sự lựa chọn phương pháp cho phù hợp. Đối với
hệ benzene
– toluene là hệ 2 cấu tử tan lẫn vào nhau, ta chọn phương pháp chưng cất để nâng cao độ
tinh khiết cho benzene.
Đồ án mơn học Q trình & Thiết bị là một mơn học mang tính tổng hợp trong q
trình học tập của các kỹ sư Cơng nghệ Hố học tương lai. Mơn học này giúp sinh viên có
thể tính tốn cụ thể : quy trình cơng 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 Benzene –
Toluene ở áp suất thường với năng suất nhập liệu là 0,5 m 3/h có nồng độ 20% phần khối
lượng benzene, nồng độ sản phẩm đáy là 1% khối lượng benzene, nồng độ sản phẩm đỉnh
là 95% khối lượng benzene, nhập liệu ở trạng thái lỏng sôi.


1. Chương I: Giới thiệu
Nhiệm vụ đồ án môn học: Thiết kế tháp chưng cất hệ Benzene-Toluene hoạt động liên
tục với các thông số sau:
- Tháp chưng cất: Tháp mâm chóp, hoạt động liên tục
Các thơng số ban đầu:
- Năng suất nhập liệu: F= 5 m3/h
- Nồng độ nhập liệu: xF= 0,2 phần khối lượng benzene
- Nồng độ sản phẩm đỉnh: xD= 0,95 phần khối lượng benzene
- Nồng độ sản phẩm đáy: xW= 0,01 phần khối lượng benzene
Lựa chọn các thơng số để tính tốn:
- Nhiệt độ nhập liệu ban đầu: tbđ= 30oC
- Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội: tpn=30oC
- Nhiệt độ dòng nước lạnh đi vào: tdlv=40oC
- Trạng thái nhập liệu: lỏng sôi
2. Chương 2: Tổng quan
2.1 Giới thiệu nguyên liệu:
2.1.1 Benzen:
Benzen là một hidrocacbon thơm có cơng thức phân tử là C6H6, ở điều kiện thường
là chất lỏng khơng màu, rất dễ cháy và có mùi thơm. Benzen ít tan trong nước, tan nhiều
trong dung môi hữu cơ, đặc biệt benzen là dung môi rất tốt, hòa tan được các chất như
mỡ, cao su, hắc ín,...Benzen thường được tìm thấy trong dầu thơ và là sản phẩm phụ của
q trình lọc dầu. Trong cơng nghiệp, benzen thường được dùng làm dung mơi, chất trung
gian hóa học và được sử dụng trong nhiều quá trình tổng hợp hóa chất.
Tính chất vật lý:

Khối lượng mol: 78,1121 g/mol
Khối lượng riêng: 0,8786 g/cm3
Nhiệt độ nóng chảy: 5,5°C


Nhiệt độ sôi: 80,1°C
2.1.2 Toluen:
Toluen là một hidrocacbon thơm bao gồm một vòng benzen liên kiết với một gốc
methyl (C6H5CH3). Toluen là chất lỏng trong suốt khơng màu, có mùi thơm đặc trưng,
khơng hịa tan trong nước. Toluen thường được dùng làm nhiên liệu trong hàng không, ô
tô, làm dung mơi và để tổng hợp các chất khác.
Tính chất vật lý:
Khối lượng mol: 92,14g/mol
Khối lượng riêng: 0,8669 g/cm3
Nhiệt độ nóng chảy: -93°C
Nhiệt độ sơi: 110,6°C
2.2 Tổng quan về q trình chưng cất:
2.2.1 Khái niệm:
Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng cũng như hỗn
hợp khí – lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử
trong hỗn hợp.
Khi chưng cất, ta thu được nhiều sản phẩm và thơng thường có bao nhiêu cấu tử thì
sẽ thu được bấy nhiêu sản phẩm. Sản phẩm đỉnh gồm chủ yếu có độ bay hơi lớn và một
phần ít cấu tử có độ bay hơi bé. Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi bé và
một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi lớn.
Đối với hệ benzen – toluen:
Sản phẩm đỉnh gồm chủ yếu là benzen và lẫn ít toluen.
Sản phẩm đấy gồm chủ yếu là toluen và lẫn ít benzen.

2.2.2 Các phương pháp chưng cất:
Các phương pháp chưng cất được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau.
Theo áp suất làm việc:
Áp suất cao: được tiến hành khi hỗn hợp khơng hóa lỏng ở nhiệt độ thường.
Áp suất thường: hay được sử dụng vì đơn giản.
Áp suất thấp: dùng cho các hỗn hợp bị phân hủy ở nhiệt độ cao.
Theo phương pháp cấp nhiệt:
Cấp nhiệt trực tiếp
Cấp nhiệt gián tiếp
Theo số bậc:
Chưng cất đơn giản: một bậc
Chưng cất: nhiều bậc
Ngồi ra ta có thể phân loại chưng cất theo số cấu tử (hai hay nhiều cấu tử), theo
phương pháp chưng ( trích ly, muối, đẳng phí),...
 Lựa chọn chưng cất hệ Benzen – Toluen bằng phương pháp chưng cất liên tục ở

áp suất thường.
2.2.3 Các thiết bị chưng cất:
Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để thực hiện quá trình
chưng cất. Tuy nhiên, yêu cầu cơ bản chung cho các thiết bị vẫn giống nhau, nghĩa là diện
tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều này tùy thuộc vào mức độ phân tán của một lưu
chất vào một lưu chất khác. Quá trình phân tán các lưu chất có thể dùng các thiết bị như
tháp phun, tháp mâm, tháp chêm,... Trong đó, tháp mâm và tháp chêm là hai loại tháp
thường dùng nhất.


Tháp mâm: gồm thân tháp hình trụ thẳng đứng trong có gắn các mâm có cấu tạo
khác nhau trên đó pha lỏng và pha hơi tiếp xúc nhau. Tùy vào cấu tạo của mâm mà ta có
tháp mâm chóp, mâm xuyên lỗ.
Tháp mâm chóp: trên mâm có gắn chóp, chóp có rãnh xung quanh để pha khí đi

qua, rãnh có thể có hình chữ nhật, tam giác hay hình trịn.
Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh và các lỗ thường được bố trí
trên các đỉnh tam giác đều.
Tháp chêm: là một tháp hình trụ gồm nhiều bậc nối với nhau bằng mặt bích hay
hàn. Vật chêm được đổ đầy trong tháp theo phương pháp xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự.
Các pha tiếp xúc nhau tại bề mặt vật chêm. Vật chêm có nhiều hình dạng như vịng
rasching, hình n ngựa, vịng xoắn,...
Bảng 1: So sánh ưu nhược điểm các loại tháp
Tháp

Ưu điểm

Nhược điểm

Tháp mâm chóp

Hiệu suất truyền khối cao, ổn

Chế tạo phức tạp, trở lực lớn.

định, ít tiêu hao năng lượng nên
có số mâm ít hơn.
Tháp mâm xuyên lỗ Chế tạo đơn giản, vệ sinh dễ Yêu cầu kĩ thuật lắp đặt cao như
dàng, trở lực thấp hơn mâm mâm phải thật ngang bằng,
chóp,

đường kính tháp lớn chất lỏng
không phân phối đều trên mâm.

Tháp chêm

Chế tạo đơn giản, trở lực thấp,

Hiệu suất thấp do có hiệu ứng
thành, kém ổn định, hiệu ứng
thành tăng khi tăng năng suất do
đó khó chế tạo tháp có kích
thước lớn.



Lựa chọn chưng cất hệ Benzen – Toluen bằng tháp mâm chóp.


3. Chương 3: Quy trình cơng nghệ
Hỗn hợp đầu từ thùng chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm liên tục lên bồn cao
vị (3). Mức chất lỏng cao nhất ở bồn cao vị được khống chế nhờ ống chảy tràn. Từ bồn
cao vị, hỗn hợp đầu qua thiết bị đun nóng (4). Tại đây, dung dịch được gia nhiệt bằng hơi
nước bão hịa đến nhiệt độ sơi. Sau đó, dung dịch được đưa vào tháp chưng cất qua mâm
nhập liệu.
Tháp chưng cất gồm 2 phần: phần từ mâm nhập liệu trở lên trên là đoạn cất, còn từ
mâm nhập liệu trở xuống là đoạn chưng.
Như vậy, ở trong tháp,pha lỏng đi từ trên xuống tiếp xúc với pha hơi đi từ dưới lên.
Hơi bốc từ mâm dưới lên qua các chóp trên mâm và tiếp xúc với pha lỏng của mâm trên,
ngưng tụ một phần, vì thế nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng tăng dần theo chiều
cao của tháp. Vì nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong lỏng tăng nên nồng độ của nó trong hơi
do lỏng bốc lên cũng tăng. Cấu tử dễ bay hơi có nhiệt độ sơi thấp hơn cấu tử khó bay hơi
nên khi nồng độ của nó tăng nên thì nhiệt độ sơi của dung dịch giảm.
Tóm lại, theo chiều cao tháp nồng độ cấu tử dễ bay hơi (cả pha lỏng và pha hơi) tăng
dần, nồng độ cấu tử khó bay hơi (cả pha lỏng và pha hơi) giảm dần và nhiệt độ giảm dần.

Cuối cùng ở đỉnh tháp ta sẽ thu được hỗn hợp hơi có thành phần chủ yếu là cấu tử dễ bay
hơi còn ở đáy tháp ta sẽ thu được hỗn hợp lỏng có thành phần cấu tử khó bay hơi chiếm tỉ
lệ lớn. Để duy trì pha lỏng trong các đĩa trong đoạn cất, ta bổ sung bằng dòng hồi lưu
được ngưng tụ từ hơi đỉnh tháp. Hơi đỉnh tháp được ngưng tụ nhờ thiết bị ngưng tụ hoàn
toàn (6), dung dịch lỏng thu được sau khi ngưng tụ một phần được dẫn tới hồi lưu trở lại
mâm cất trên cùng để duy trì pha lỏng trong các mâm đoạn cất, phần cịn lại được đưa qua
thiết bị làm lạnh (7) để đi vào bể chứa sản phẩm đỉnh (8). Chất lỏng ở đáy tháp được tháo
ra ở đáy tháp, sau đó một phần được đun sôi bằng thiết bị gia nhiệt đáy tháp (9) và hồi lưu
và đáy tháp, phần chất lỏng còn lại được đưa vào bể chứa sản phẩm đáy (10).
Như vậy, thiết bị làm việc liên tục (hỗn hợp đầu đưa vào liên tục và sản phẩm cũng
được lấy ra liên tục).


4. Chương 4: Cân bằng vật chất và năng lượng
Chưng cất hỗn hợp Benzen – Toluen thì Benzen là cấu tử dễ bay hơi.
Yêu cầu thiết bị:
Loại tháp: tháp mâm chóp.
Điều kiện làm việc: áp suất thường 1 atm.
Thơng số ban đầu:
Năng suất nhập liệu: GF=5m3/h
Nồng độ nhập liệu: x̅F =20% khối lượng
benzen Nồng độ đỉnh: x̅̅D̅=95% khối lượng
benzen Nồng độ đáy: x̅̅W̅=1% khối lượng
benzen
Các ký hiệu:
F̅ , F: suất lượng nhập liệu tính theo kg/h, kmol/h.
D̅ , D: suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo kg/h, kmol/h.
W̅ , W: suất lượng sản phẩm đáy tính theo kg/h,
kmol/h. x̅i , xi: nồng độ phần khối lượng, phần mol của
i.

Chọn:
Nhiệt độ dịng nhập liệu: 25oC.
Nhập liệu ở trạng thái lỏng sơi.
4.1 Cân bằng vật chất:
4.1.1 Xác định suất lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy thu được:
Tra bảng I.2, trang 9, Sổ tay QT&TB CNHH tập 1
 Khối lượng riêng của toluen ở 25oC: ρN =861,25kg/m3

Tra bảng I.2, trang 9, Sổ tay QT&TB CNHH tập 1


 Khối lượng riêng của benzen ở 25oC: ρB =873,75 kg/m3


Áp dụng CT I.2, trang 5, Sổ tay QT&TB CNHH tập 1
x̅F̅ ̅N̅ ̅x̅F̅B̅
0,2
+
0,8 +
=
=
ρhh ρ
861,25 873,75
ρB
N

1

 ρhh = 863,72
(kg/m3)

kg

m3

kg

Năng suất nhập liệu: F̅
= 5 ( ) × 863,72 ( 3) = 4318,6 ( )
m
h
h
F̅ = 4318,6 = D̅ + W̅
{
F̅ × x̅ = 4318,6 × 0,2 = D̅ × x̅̅ + W̅ ×
x̅
̅ = D̅ × 0,95 + W̅ × 0,01
F

D

D̅ =872,91
()



; W̅ =3445.69
()

kg

h

x̅

W

kg

h

0,2

F

MB

xF=

=

x̅
1MBF x̅+FMT

78

=0.228
0,2 1-0,2
78 + 92

x̅̅D̅

0,95
78

MB
=
=0.957
x̅D
̅ ̅ ̅D̅
0,95 1-0,95
MB1-x̅
M
78 + 92
+T
x̅W
̅ ̅
0,01
78
MB
xW =
=
=0.012
x̅x̅̅W
̅
1-̅
0,01 1-0,01
MB + ̅WM
78 + 92
T

xD=

MF =x̅F .MB + (1-x̅F ).MT = 0,2.78 + (1-0.2).92 = 89,2 (kg/kmol)
MD =x̅̅D̅.MB + (1- x̅̅D̅).MT = 0,95.78 + (1-0,95).92 = 78,7
(kg/kmol)

MW =x̅̅W̅.MB + (1- x̅̅W̅).MT = 0,01. 78 + (1-

0,01).92 =91,86 (kg/kmol)
F=
F
̅

=
MF

4318,6
89,2

=44,41 (

kmol
h

)


D=
D
̅

MD

=

W=
W
̅
MW

872,91

=

78,7

=11,09 (

3445,69
91,86

kmol
h

=37,51 (

)

kmol
h

)


Nhập liệu

F
44,41

Sản

phẩm D

11,09
phẩm W

đáy

37,51

0,2

x�

89,2
M�

x̅̅�

0,957

0,95

x�

W
̅
3445,69

MF

x̅F

0,228

�
�
̅
872,91

đỉnh

Sản

xF

F
̅
4318,6

78,7

M�

̅x̅�

0,012

0,01

91,86

4.1.2 Xác định tỷ số hoàn lưu:
Xác định chỉ số hồi lưu dựa vào đồ thị thành phần cân bằng lỏng - hơi và nhiệt độ
sôi của hỗn hợp Benzen – Toluen ở 760 mmHg theo bảng IX.2a, trang 146, Sổ tay
QT&TB CNHH tập 2:
Bảng 2:thị thành phần cân bằng lỏng - hơi và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Benzen – Toluen
ở 760 mmHg
x

(% 0

5

10

20

30

40

50

60

11,8

21,4

38

51,1 61,9 71,2 79

70

80

90

100

phần
mol)
y

(% 0

85,4 91

95,9 100

phần
mol)
t (oC)

110,6 108,3 106,1 102,2 98,6 95,2 92,1 89,4 86,8 84,4 82,3 80,2


Cân bằng lỏng hơi hệ benzen - toluen ở
760mmHg
100
95
90
85
80
75
70
65
60
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100

Hình 1: Đồ thị thành phần cân bằng lỏng - hơi và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Benzen –
Toluen ở 760 mmHg
Ta có xF = 0,228 � yF*= 0,42
Chỉ số hồn lưu tối thiểu: Rmin =

x D-y
F
y*F-xF

*

0,957−0,
42

= 2,8

0,42−0,2
28

Chỉ số hoàn lưu làm việc: R = 1,3 × Rmin + 0,3 = 1,3 × 2,8 + 0,3 = 3,94
4.1.3 Xác định phương trình đường làm việc:
Phương trình làm việc của phần cất: � =

R
R+1 x

+

xD
R+1

= 0,7976x + 0,1937

Suất lượng mol tương đối của dịng nhập liệu: f= F =
Phương trình làm việc của phần chưng: � =
x

R+f

R+1

4.1.4 Xác định số mâm lý thuyết:

D

x-

44,41
11,09

f-1

R+1 W

= 4,005

= 1,6082x − 0,0073

Hình 2: Đồ thị xác định số mâm lý thuyết
Từ đồ thị ta suy ra được:
Số mâm lý thuyết là 16 mâm (7 mâm phần cất, 1 mâm nhập liệu và 8 mâm phần
chưng).
Vị trí mâm nhập liệu là mâm số 8.
4.1.5 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 của tháp thì ta có thể xác định số mâm thực dựa vào hiệu suất trung bình.
� =
�

� ��

�

với
�� =

�1+ 2+3+.....
+
+�
�

���

Trong đó:
Nt: số mâm thực
Nlt: số mâm lí thuyết
ηtb: hiệu suất trung bình của thiết bị

η1, η2 …: hiệu suất của các bậc thay đổi nồng độ


n: số vị trí tính hiệu suất
ηtb là một hàm của độ bay hơi tương đối của hỗn hợp và độ nhớt của hỗn hợp lỏng:
��� = �(�, �).
Trong chưng cất, độ bay hơi tương đối của hỗn hợp tính như sau: � =

�
−−
1

.

−−
1
�

với x, y là

nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi hơn trong pha hơi và pha lỏng; � lầ độ nhớt
của hỗn hợp lỏng (N.s/m2).
Khi tính được tích số ( . � ), tra đồ thị để tìm hiệu suất trung bình.

Hình 3: Giản đồ xác định hiệu suất trung bình của thiết bị
Trong TH này ta tính: �
��

=

�� + � +�
3

, ,
� �
với

�

�

lần lượt là hiệu suất mâm nhập liệu,
�

mâm trên cùng và mâm dưới cùng.
Xác định ��:
Ta có TD=80,55oC, x=0,957 �y=0.971
Sử dụng bảng I.101, trang 91, Sổ tay QT&TB CNHH tập 1 tra và nội suy độ nhớt của � �
= 0,314 × 10−3(N.s/m2); �� = 0,318 × 10−3(N.s/m2);
Độ nhớt của hỗn hợp:
��(�ℎℎ) = ��. ��(��) + (1 − ��). ��(�� )
= 0,957 × ��(0,314 × 10−3) + (1 − 0,957) ×

(0,318 × 10−3)


 �ℎℎ = 0,314 × 10−3(N. s/m2) = 0,314(cP)

�
=

�
1−
�

.

= 1,504
0,971 1 −
1−
=
0.957
�
1−
.
0,971
0,957
�

� × � = 1,504 × 0,314 = 0,472
Từ đồ thị suy ra �� = 0.6
Tương tự ta xác định được �� , ��
Xác định ��:
Ta có TF=101,19oC, x=0,228 �y=0.417
Sử dụng bảng I.101, trang 91, Sổ tay QT&TB CNHH tập 1 tra và nội suy độ nhớt của ��
= 0,259 × 10−3(N.s/m2); �� = 0,269 × 10−3(N.s/m2);
Độ nhớt của hỗn hợp:
�� (�ℎℎ) = ��. ��(��) + (1 − ��). ��(��)

= 0,228 × ��(0,259 × 10−3) + (1 − 0,228) × (0,269 × 10−3)
 �ℎℎ = 0,267 × 10−3(� . �/m2) = 0,267(��)

�
=

�
1−
�

.

= 2,422
0,417 1 −
1−
=
0.228
�
1−
.
0,417
0,228
�

� × � = 2,422 × 0,267 = 0,647
Từ đồ thị suy ra �� = 0.55
Xác định ��:
Ta có TW=110,05oC, x=0,012 �y=0.0276

Sử dụng bảng I.101, trang 91, Sổ tay QT&TB CNHH tập 1 tra và nội suy độ nhớt của ��
= 0,259 × 10−3(N.s/m2); �� = 0,269 × 10−3(N.s/m2);
Độ nhớt của hỗn hợp:


��(�ℎℎ) = ��. ��(��) + (1 − ��). ��(��)
= 0,012 × ��(0,259 × 10−3) + (1 − 0,012) × (0,269 × 10−3)
 �ℎℎ = 0,271 × 10−3(�. �/m2) = 0,271(��)

�
=

�
1−
�

.

= 2,337
0,0276 1 −
1−
=
0.012
�
1−
.
0,0276
0,012
�

� × � = 2,337 × 0,271 = 0,633
Từ đồ thị suy ra �� = 0.57
���
=
16

�

�� +

�

+

�

3
=

� ��

=
�

=

0,6 + 0,55 + 0,57
= 0,573
3

= 28 (mâm)

���

0,573



Số mâm thực là 28 mâm

4.2 Cân bằng năng lượng:
4.2.1 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu:
Phương trình cân bằng nhiệt lượng:
� �1 + �� = �� + ���1 + ���1
(J/h) Trong đó:
��1: Nhiệt lượng hơi đốt mang vào (J/h)
��: Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào (J/h)
��: Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra (J/h)
���1: Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra (J/h)
���1: Nhiệt lượng mất mát (J/h)


Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào:


��1 = � 1. � 1 = �1. (

1

+ �1. � 1)

(J/h) Trong đó:
�1: Lượng hơi đốt (kg/h)
�1: Ẩn nhiệt hóa hơi (J/kg)
�1:Hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng) của hơi đốt (J/kg)
�1: Nhiệt độ nước ngưng (oC)
�1: Nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg.độ)
Chọn hơi đốt là hơi nước bão hòa ở áp suất p =2at, ts= 119,62oC
�1 = 119,62℃ ��1 = 2205,6 (kJ/kg)
Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào:
��: Nhiệt dung riêng của hỗn hợp.
Chọn nhiệt độ đầu của hỗn hợp là ��=25°C.
Tra bảng I.153, trang 171, Sổ tay QT&TB CNHH tập 1
������� = 1753,75 (/.

°)

��� ���� = 1732,5 (/. °)
� � = x̅F . �� ����� + (1 − x̅F ). ������� = 0,2.1753,75 + (1 − 0,2).1732,5
= 1736,75(�/��
.
°�
)
�� = �̅ . �� . �� = 4318,6 . 1736,75 . 25 = 187508213,8 (�/ℎ) = 52,09(��)
Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra:
x=0,228 � tF=101,19°C
Tra bảng I.153, trang 171, Sổ tay QT&TB CNHH tập 1