THIẾT KẾ MÂM CHÓP XUYÊN LỖ CÓ ỐNG CHẢY CHUYỀN CHƯNG CẤT HỆ BENZEN- TOLUEN

Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
Trường Đại học Bách Khoa
Khoa Kỹ Thuật Hố học
BỘ MƠN Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

ĐỒ ÁN MƠN HỌC
Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ
ĐỀ TÀI
THIẾT KẾ MÂN CHÓP XUYÊN LỖ CÓ ỐNG CHẢY CHUYỀN
CHƯNG CẤT HỆ BENZEN- TOLUEN

SVTH: Đinh Thành Thung – 1513349
GVHD: TS. Trần Thanh Quang

Năm học 2019-2020

LỜI MỞ ĐẦU
1


Đồ án mơn học Q trình & Thiết bị là một mơn học mang tính tổng hợp các kiến
thức cơ bản cần thiết cho Kỹ sư hóa – thực phẩm trong tương lai. Môn học này giúp
sinh viên giải quyết nhiệm vụ tính tốn cụ thể về: quy trình cơng nghệ, kết cấu thiết
bị, giá thành của một thiết bị trong sản xuất hoá chất - thực phẩm. Đây là bước đầu
tiên sinh viên được vận dụng những kiến thức đã học để giải quyết các vấn đề kỹ thuật
thực tế một cách tổng hợp.
Nhiệm vụ của đồ án môn học là thiết kế tháp chưng cất mâm xuyên lỗ của hệ
Benzen – Toluen hoạt động liên tục với năng suất nhập liệu: 5000 kg/h có nồng độ
32% khối lượng benzen, thu được sản phẩm đỉnh có nồng độ 97,5% khối lượng
benzen và sản phẩm đáy là 1,8% khối lượng benzen.
Em xin chân thành cảm ơn các q thầy, cơ bộ môn Máy & Thiết bị, đặc biệt là

thầy Nguyễn Thanh Quang đã giúp em hoàn thành đồ án này. Tuy nhiên, trong q
trình hồn thành đồ án khơng thể tránh được những sai sót, em rất mong q thầy cơ
góp ý, chỉ dẫn.

2


MỤC LỤC
CHƯƠNG I...................................................................................................................................................1
TỔNG QUAN................................................................................................................................................1
1.1 LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT.............................................................................................................1
1.1.1

Khái niệm...........................................................................................................................1

1.1.2

Phương pháp chưng cất:..................................................................................................1

1.1.3

Thiết bị chưng cất..............................................................................................................1

1.2 GIỚI THIỆU SƠ BỘ VỀ NGUYÊN LIỆU...............................................................................................2
1.2.1

Benzen................................................................................................................................2

1.2.1

Các phương thức điều chế...............................................................................................3

1.2.2

Hỗn hợp Benzen – Toluen.................................................................................................4

1.3 CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT BENZEN – TOLUEN.................................................................................5
1.3.1

Thuyết minh nguyên lí làm việc........................................................................................5

CHƯƠNG 2...................................................................................................................................................6
CÂN BẰNG VẬT CHẤT.............................................................................................................................6
2.1 CÁC THƠNG SỐ BAN ĐẦU.................................................................................................................6
2.2 CÂN BẰNG VẬT CHẤT........................................................................................................................6
2.2.1 Xác định suất lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy..........................................................6
2.2.2 Xác định chỉ số hồn lưu thích hợp........................................................................................7
2.2.3 Phương trình đường làm việc:................................................................................................8
CHƯƠNG 3.................................................................................................................................................10
TÍNH KÍCH THƯỚC THÁP VÀ MÂM...................................................................................................10
3.1 ĐƯỜNG KÍNH THÁP.......................................................................................................................10
3.1.1 Đường kính đoạn cất.............................................................................................................10
3.1.2 Đường kính đoạn chưng:......................................................................................................12
3.2 CHIỀU CAO THÁP............................................................................................................................14
CHƯƠNG 4.................................................................................................................................................14
TRỞ LỰC THÁP MÂM XUN LỖ.......................................................................................................14
4.1 TÍNH TỐN MÂN LỖ.......................................................................................................................14
4.2 TRỞ LỰC MÂN LỖ...........................................................................................................................15
4.2.1 Trở lực của đĩa khô:...............................................................................................................15
4.2.2 Trở lực do sức căng bề mặt...................................................................................................15

4.2.3 Trở lực thủy tĩnh do chất lỏng trên đĩa tạo ra......................................................................16

3


CHƯƠNG 5.................................................................................................................................................18
TÍNH CƠ KHÍ............................................................................................................................................18
5.1 TÍNH TỐN PHẦN THÂN THÁP.......................................................................................................18
5.2 TÍNH TỐN ĐÁY VÀ NẮP.................................................................................................................19
5.3 TÍNH TỐN CHI TIẾT ỐNG DẪN.......................................................................................................20
5.3.1 Ống dẫn hơi vào thiết bị ngưng tụ........................................................................................20
5.3.2 Ống dẫn dòng hồi lưu dòng sản phẩm đỉnh.........................................................................21
5.3.3 Ống dẫn dòng nhập liệu.........................................................................................................21
5.3.4 Ống dẫn dòng sản phẩm đáy:................................................................................................22
5.3.5 Ống dẫn hơi vào đáy tháp.....................................................................................................23
5.4 MẶT BÍCH VÀ VỊNG ĐỆM...............................................................................................................23
5.4.1 Bích và đệm để nối và bít kín thiết bị...................................................................................23
5.4.2 Bích để nối các ống dẫn.........................................................................................................24
5.5 CHÂN ĐỠ THÁP VÀ TAI TREO..........................................................................................................25
5.5.1 Tính trọng lượng tồn tháp...................................................................................................25
5.5.2 Tai treo tháp............................................................................................................................26
5.5.3 Tính chân đỡ tháp..................................................................................................................26
CHƯƠNG 6.................................................................................................................................................27
CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG.....................................................................................................................27
6.1 THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT:..............................................................................................................27
6.2 THIẾT BỊ GIA NHIỆT DÒNG NHẬP LIỆU:...........................................................................................27
6.3 THIẾT BỊ NGƯNG TỤ ĐỈNH:............................................................................................................28
6.4 THIẾT BỊ LÀM NGUỘI SẢN PHẨM ĐỈNH..........................................................................................28
6.5 NỒI ĐUN Ở ĐÁY THÁP:...................................................................................................................29
CHƯƠNG 7.................................................................................................................................................29

TÍNH TỐN BƠM.....................................................................................................................................29
7.1 NĂNG SUẤT BƠM...........................................................................................................................29
7.2.1 Tổng trở lực trong đường ống...............................................................................................30
7.2.2 Trở lực trong thiết trao đổi nhiệt:.........................................................................................31
7.2.3 Trở lực thiết bị đun................................................................................................................33
7.3 CÔNG SUẤT BƠM...........................................................................................................................34
TÀI LIỆU THAM KHẢO..........................................................................................................................34

4


CHƯƠNG I
TỔNG QUAN
1.1

LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT

1.1.1

Khái niệm

Chưng cất là quá trình enz để tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng thành các cấu
tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp.
Chưng cất và cô đặc khá giống nhau, tuy nhiên sự khác nhau căn bản nhất của 2
quá trình này là trong q trình chưng cất dung mơi và chất tan đều bay hơi (nghĩa là
các cấu tử đều hiện diện trong cả hai pha nhưng với tỷ lệ khác nhau), cịn trong q
trình cơ đặc thì chỉ có dung mơi bay hơi cịn chất tan khơng 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 đáy 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 enzene và một ít toluene.
- Sản phẩm đáy chủ yếu là toluene và một ít enzene.
1.1.2

Phương pháp chưng cất:

Phân loại dựa theo:
 Áp suất làm việc : chưng cất áp suất thấp, áp suất thường và áp suất cao
 Nguyên lý làm việc: gián đoạn, liên tục và bán liên tục
 Theo loại tháp: Tháp đệm, tháp đĩa, tháp phun…
 Cấp nhiệt ở đáy tháp: Cấp nhiệt trực tiếp, cấp nhiệt gián tiếp
 Đối với hệ benzene- toluene: Dùng phương pháp chưng cất bằng cách cấp nhiệt
gián tiếp qua nồi đun ở áp suất thường.
1.1.3

Thiết bị chưng cất

Trong sản xuất, người ta thường sử dụng 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 bề mặt 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 enz là tháp mâm và tháp chêm.
1


- 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 được cho tiếp xúc với nhau. Tuỳ theo cấu tạo

của đĩa, ta có:
+ Tháp mâm xun lỗ: trên mâm bố trí có xun lỗ dạng trịn, xupap,.. và ống chảy
chuyền có nhiều tiết diện khác nhau phụ thuộc vào suất lượng pha lỏng.
+ Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh, đường kính từ 3-12mm, tổng
các lỗ trên mâm chiếm từ 8-15% tiết diện của tháp.
- 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.
Bảng 1.1: So sánh ưu nhược điểm của các loại tháp
Tháp chêm
- Cấu tạo khá đơn giản.

Tháp mâm xuyên lỗ
Tháp xuyên lỗ
-Trở lực tương đối thấp. - Khá ổn định.

- Trở lực thấp.

-Hiệu suất khá cao.

Ưu điểm - Làm việc được với chất lỏng

- Hiệu suất
truyền khối cao

bẩn nếu enz đệm cầu có   

Nhược
điểm

của chất lỏng.
- Do có hiệu ứng thành nên - Kết cấu khá phức tạp.

- Có trở lực lớn.

hiệu suất truyền khối thấp.

- Tiêu tốn nhiều

- Độ ổn định khơng cao, khó

vật tư, kết cấu

vận hành.

phức tạp.

- Khó chế tạo được kích
thước lớn, qui mơ công
nghiệp.

- Thiết bị khá nặng nề.
 Hệ Benzen – Toluen : chưng cất bằng tháp mâm xuyên lỗ.
1.2
1.2.1

GIỚI THIỆU SƠ BỘ VỀ NGUYÊN LIỆU
Benzen
Benzen là một hợp chất mạch vòng, ở dạng lỏng khơng màu và có mùi thơm

nhẹ. Cơng thức phận tử là C 6H6. Benzen không phân cực, vì vậy tan tốt trong các dung
mơi hữu cơ khơng phân cực và tan rất ít trong nước. Trước đây người ta thường sử
dụng enzene làm dung môi. Tuy nhiên sau đó người ta phát hiện ra rằng nồng độ
2


enzene trong khơng khí chỉ cần thấp khoảng 1ppm cũng có khả năng gây ra bệnh bạch
cầu, nên ngày nay enzene được sử dụng hạn chế hơn
Các tính chất vật lí của enzene:


Khối lượng phân tử: 78,11



Tỉ trọng (20oC): 0,879



Nhiệt độ sơi: 80°C



Nhiệt độ nóng chảy: 5,5°C

Toluen là một hợp chất mạch vịng, ở dạng lỏng và có tính thơm, cơng thức
phân tử tương tự như enzene có gắn thêm nhóm –CH 3. Khơng phân cực, do đó enzene
tan tốt trong enzene. Toluen có tính chất dung mơi tương tự enzene nhưng độc tính
thấp hơn nhiều, nên ngày nay thường được sử dụng thay enzene làm dung mơi trong
phịng thí nghiệm và trong cơng nghiệp.

Các tính chất vật lí của enzene:
o Khối lượng phân tử: 92,13
o Tỉ trọng (20oC): 0,866
o Nhiệt độ sơi: 111oC
o Nhiệt độ nóng chảy: -95 oC
1.2.1 Các phương thức điều chế


Đi từ nguồn thiên nhiên

Thông thường các hydrocacbon ít được điều chế trong phịng thí nghiệm, vì có
thể thu được lượng lớn nó bằng phương pháp chưng cất than đá, dầu mỏ…


Đóng vịng và dehydro hóa ankan



Các ankan có thể tham gia đóng vịng và dehydro hóa tạo thành hydro

cacbon thơm ở nhiệt độ cao và có mặt xúc tác như Cr 2O3, hay các lim loại chuyển tiếp
như Pd, Pt
CH3(CH2)4CH3 C6H6


Dehydro hóa các cycloankan
Các cycloankan có thể bị dehydro hóa ở nhiệt độ cao với sự có mặt của các

xúc tác kim loại chuyển tiếp tạo thành enzene hay các dẫn xuất của enzene
C6H12 C6H6



Đi từ enzenee
3


Đun acetane trong sự có mặt cảu của xúc tác là than hoạt tính hay phức của
niken như Ni(CO)[(C6H5)P] sẽ thu được enzene
3C2H2 C6H6
Từ enzene ta có thể điều chế được các dẫn xuất của enzene như enzene bằng phản ứng
Friedel – Crafts (phản ứng ankyl hóa enzene bằng các dẫn xuất ankyl halide với sự có
mặt cảu xúc tác AlCl3 khan)
1.2.2 Hỗn hợp Benzen – Toluen
Bảng 1.2: Thành phần lỏng (x)–hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Benzen – Toluen
ở 760mmHg.
0
5
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0
11,8 21,4 38
51,1 61,9 71,2 79

85,4 91
95,9 100
110,6 108,3 106,1 102,2 98,6 95,2 92,1 89,4 86,8 84,4 82,3 80,2

Hệ Benzen- Toluen
115
110
105
Nhiệ t độ ( 0C)

X (phần mol)
Y (phần mol)
T (oC)

100
95
90
85
80

0

10

20

30

40

50

60

70

80

X-Y (phần trăm mol)

Đường cân bằng pha hệ Benzen – Toluen

4

90

100


1.3

CƠNG NGHỆ CHƯNG CẤT BENZEN – TOLUEN

1.3.1

Thuyết minh ngun lí làm việc

Hỗn hợp Benzen – Toluen có nồng độ Benzen là 32% phần khối lượng, nhiệt độ
nguyên liệu lúc đầu là 32oC tại bình chứa nguyên liệu (1), được bơm (2) bơm lên bồn
cao vị (3), sau đó được bơm vào thiết bị trao đổi nhiệt giữa sản phẩm đáy và nhập

liệu(4), từ đó nguyên liệu được đưa vào thiết bị đun sơi dịng nhập liệu(5) , tại đây sản
phẩm đỉnh được đưa đến nhiệt độ sôi và đưa vào đĩa nhập liệu của tháp (7). Lưu lượng
dòng nhập liệu được kiểm soát qua lưu lượng kế (5).
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 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 sơi 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 97,5%
khối lượng). Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ (8) được ngưng tụ hoàn toàn. Một phần
chất lỏng ngưng tụ đi qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (12), được làm nguội bằng
thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống (12) rồi được đưa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh
(14). Phần còn lại của chất lỏng ngưng tụ được hoàn lưu về tháp ở đĩa trên cùng với tỉ
số hồn lưu thích hợp và được kiểm soát bằng lưu lượng kế. 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 Benzen là 1,8% khối lượng, cịn lại là Toluen. 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 trao đổi với dòng
nhập liệu rồi đưa vào bồn chứa sản phẩm đáy (11).
Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là benzen, sản phẩm đáy là toluen

5


CHƯƠNG 2
CÂN BẰNG VẬT CHẤT
2.1 CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU
 Năng suất nhập liệu: GF = 5000 kg/h
 Nồng độ nhập liệu: F = 32% khối lượng

 Nồng độ sản phẩm đỉnh: D = 97,5% khối lượng
 Nồng độ sản phẩm đáy: W = 1,8% khối lượng
 Khối lượng phân tử của Benzen và Toluene: MB =78, MT =92
 Chọn:
+ Nhiệt độ nhập liệu: t’F =32oC.
+ Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội: t’D =35oC
+ Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt: t’W = 35oC
+ Trạng thái nhập liệu là trạng thái lỏng- sôi
 Các kí hiệu:
+ GF, F: suất lượng nhập liệu tính theo kg/h, kmol/h
+ GD, D: suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo kg/h, kmol/h
+ GW, W: suất lượng sản phẩm đáy tính theo kg/h, kmol/h
+ xi,i: phân mol, phân khối lượng của cấu tử i
2.2 CÂN BẰNG VẬT CHẤT
2.2.1 Xác định suất lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy
 Cân bằng vật chất cho toàn tháp:

F=D+W

 Cân bằng cấu tử benzen (cấu tử nhẹ): F. xF= D. xD + W. xW (2)
Trong đó :


F

= 32% khối lượng, ta được :

Khối lượng phân tử trung bình dịng nhập liệu:
MF= 78. xF + (1- xF).92= 87 (kg/kmol)
 = 97,5% khối lượng, ta được:

Khối lượng phân tử trung bình dịng sản phẩm đỉnh:
6

(1)


MD= 78. xD + (1- xD).92= 78,3 (kg/kmol)


= 1,8% khối lượng, ta được:

Khối lượng phân tử trung bình dịng sản phẩm đáy:
MW = 78. xW + (1- xW).92 = 91,7kg/kmol
 Giải hệ phương trình (1) và (2), ta được:
D= 20,2 kmol/h và W= 37,27 kmol/h
 Năng suất sản phẩm thu được:
GD = D.MD = 20,2. 78,3= 1582 kg/h
GW = W.MW = 37,27. 91,7= 3418 kg/h
 Suất lượng và nồng độ các dòng:
Dòng
kg/h
kmol/h
Nhập liệu
GF= 5000
F= 57,47
Sản phẩm đỉnh
GD =1582
D= 20,2
Sản phẩm đáy
GW =3418

W= 37,27
2.2.2 Xác định chỉ số hồn lưu thích hợp

Kmol B/ Kmol hh
xF = 0,357
xD = 0,979
xW = 0,02

Kg B/ Kg hh
= 0,320
= 0,975

Xác định chỉ số hoàn lưu tối thiểu

Tỉ số hoàn lưu tối thiểu là chỉ số hoàn lưu ứng với lượng hoàn lưu nhỏ nhất mà có
thể đảm bảo được năng suất và hiệu suất của thiết bị lí tưởng.
Tỷ số hồn lưu tối thiểu là chế độ làm việc mà tại đó ứng với số mâm lý thuyết là vơ
cực. Do đó, chi phí cố định là vơ cực nhưng chi phí điều hành (nhiên liệu, toluene,
bơm…) là tối thiểu.
Trong đó: - nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi
Với xF = 0,357, dựa vào bảng cân bằng Hệ Benzen – Toluen, ta có = 0,579
 Xác định chỉ số hồn lưu thích hợp
Tỷ số hồn lưu làm việc: R =1.3Rmin + 0.3= 2,64
Khi R tăng, số mâm sẽ giảm nhưng đường kính tháp, thiết bị ngưng tụ, nồi đun và
cơng để bơm sẽ tăng theo. Chi phí cố định sẽ giảm dần tới cực tiểu rồi tăng đến vô
cực khi hoàn lưu toàn phần, lượng nhiệt và lượng toluene sử dụng cũng tăng theo
tỷ số hoàn lưu.
7

Tổng chi phí bao gồm: chi phí cố định và chi phí điều hành. Tỷ số hồn lưu làm việc
thích hợp ứng với tổng chi phí là cực tiểu.
Tuy nhiên đơi khi chi phí vận hành rất phức tạp, khó kiểm sốt nên người ta có thể
tính tỷ số hồn lưu thích hợp từ điều kiện tháp nhỏ nhất. Để tính được tỷ số hồn lưu
thích hợp theo điều kiện tháp nhỏ nhất (khơng tính đến chi phí vận hành), ta cần lập
mối quan hệ giữa tỷ số hoàn lưu và thể tích tháp, từ đó chọn ra Rth ứng với thể tích
tháp là nhỏ nhất.
2.2.3 Phương trình đường làm việc:
Phương trình đoạn cất (luyện) có dạng:
Phương trình đoạn chưng có dạng:
2.3.4 Xác định số mâm lý thuyết và số mâm thực tế

 Xác định số mâm lý thuyết
Để xác định số mâm lý thuyết ta dựa vào đồ thị sau:

8


Số Bậc Thay Đổi Nồng Đô
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

Đồ thị xác định số mâm lý thuyết hệ Benzen – Toluen
Dựa vào đồ thị, ta có 15 bậc thay đổi nồng độ gồm: 7 mâm cất, 8 mân chưng
 Xác định số mâm thực tế
Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình:
Trong đó:
- tb: hiệu suất trung bình của đĩa.
- Ntt: số mâm thực tế.
- Nlt: số mâm lý thuyết.
 Tra độ nhớt μB, μT bẳng I.101 trang 91(2), sau đó xác định μhh theo công thức:

μhh = x1. μB + (1- x1). μT
 Độ bay tương đối của cấu tử dễ bay hơi:
 Tính μ.α và tra hiệu suất η trang 171(1).
 Tính trung bình cộng hiệu suất η ta được μtb.
 Tính tốn ta thu được giá trị như bảng sau:

Nhập liệu

Đỉnh
9

Đáy


Nhiệt độ (oC)
x (phần mol)
y (phần mol)
μB (cp)
μT (cp)
μhh (cp)
α
μhh.α
η
μtb

96,5
0,357
0,579
0,274
0,2824

0,279
2,477
0,69
0,54
0,54

80,5
0,979
0,992
0,3145
0,3176
0,31452
2,455
0,772
0,52

109,5
0,02
0,047
0,2404
0,2514
0,2512
2,3548
0,5916
0,56

Vậy số đĩa thực tế là:
Vậy chọn Ntt = 28 mâm, gồm : 13 mâm cất ; 15 mâm chưng
CHƯƠNG 3
TÍNH KÍCH THƯỚC THÁP VÀ MÂM

3.1 ĐƯỜNG KÍNH THÁP
Dt 

4Vtb
g tb
0,0188
π.3600.ω tb
(  y .ω y ) tb

m

(IX.89,IX.90/182 , [2])

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.
3.1.1 Đường kính đoạn cất
 Lượng hơi trung bình đi trong tháp:
g tb 

g d  g1
2
kg/h

(IX.91/181, [2])

gd: lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (kg/h).
g1: lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn cất (kg/h).

 Xác định gd: gd = D.(R+1) =20,2. (2,64+1) = 73,53 (kmol/h) = 5757 kg/h
 Xác định g1: Từ hệ phương trình :
g1= G1 + GD
g1. = G1.+ GD
g1. r1= gd. rd
10


Trong đó:
G1: lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn cất.
r1: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn cất
rd: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi ra ở đỉnh tháp .
* Tính r1: t1 = tF = 96,6oC, tra tài liệu tham khảo (Bảng I.212/254, [2]), ta có
Ẩn nhiệt hố hơi của Benzen: rB = 382,33 (kJ/kg)
Ẩn nhiệt hoá hơi của Toluene: rT = 370,72 (kJ/kg)
Suy ra : r1 = rB. + (1-).rT = 370,72 + 11,61. (kJ/kg).
* Tính rd : tD = 80,5oC, tra tài liệu tham khảo (bảng I.212/254, [2]),ta có :
Ẩn nhiệt hố hơi của Benzen: rB = 393,14 (kJ/kg)
Ẩn nhiệt hoá hơi của Toluene: rT = 378,21 (kJ/kg)
Suy ra : rd = rB. + (1-).rT = 393,14. 0,991 + (1- 0,991). 378,21= 393 (kJ/kg) (yd=
yD=0,992, từ đồ thị t-xy ta suy ra=0,991)
* = = 0,32.
*
Giải hệ (3.1) , ta được :
g1= 6010 (kg/h)
G1= 4428 (kg/h)
= 0,492 ( phần khối lượng)

 Tốc độ hơi trung bình trong tháp ở đoạn cất:
 Xác định ρytb:

Nồng đô phần mol trung bình của pha hơi :
( Ta có = 0,492 suy ra=0,533)
Nhiệt độ trung bình : 0C
Khối lượng mol trung bình :
Mtb= MB. ytb + (1- ytb). MT = 78. 0,763 + (1- 0,763). 92=81,3 (kg/kmol)
Khối lượng riêng trung bình:
 Xác định ρxtb :
Nồng độ phần mol trung bình của pha lỏng :
11


Suy ra : 0,63
Nhiệt độ trung bình :
Tra khối lượng riêng của benzene, Toluene: ρB= 803,3 (kg/m3); ρT= 797,6 (kg/m3).
Chọn h= 0,3 m,
 Xác định
3.1.2 Đường kính đoạn chưng:
 Lượng hơi trung bình đi trong tháp ở đoạn chưng:
g , tb 

g , n  g ,1
2

; kg/h

g’n : lượng hơi ra khỏi đoạn chưng ; kg/h.
g’1 : lượng hơi đi vào đoạn chưng ; kg/h.
 Xác định g’n: g’n = g1 = 6010 kg/h
 Xác định g’1 : Từ hệ phương trình :
G’1= g’1 + Gw

G’1. = g’1.+ Gw
g’1. r’1= g’n. r’n
Với: G’1 : lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn chưng .
r’1 : ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng.
r’n= r1: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi ra khổi đĩa trên cùng của đoạn chưng.
* Tính r’1: t’1 = tw = 109,5 0C, tra tài liệu tham khảo (Bảng I.212/254, [2]),
Ẩn nhiệt hoá hơi của Benzen: r’B = 370,3 (kJ/kg)
Ẩn nhiệt hoá hơi của Toluene: r’T = 361,7 (kJ/kg)
* = 0,018 ; = 0,019.
Suy ra : r’1 = r’B. + (1-).r’T = 361,7 + 8,6. = 361,9(kJ/kg).
* Tính r’n = r1= 370,72 + 11,61.=370,72 + 11,61. 0,492= 376,4 (kJ/kg).
* = 0,018 = 0,019.
Giải hệ (3.1) , ta được :
G’1= 9669 (kg/h)
g’1= 6251 (kg/h)
= 0,0186 ( phần khối lượng)
12


 Tốc độ hơi trung bình trong tháp ở đoạn cất:
 Xác định ρytb:
Nồng đơ phần mol trung bình của pha hơi :
Nhiệt độ trung bình : 0C
Khối lượng mol trung bình :
Mtb= MB. ytb + (1- ytb). MT = 78. 0,3 + (1- 0,3). 92=87,8 (kg/kmol)
Khối lượng riêng trung bình:
 Xác định ρxtb :
Nồng độ phần mol trung bình của pha lỏng :
Nhiệt độ trung bình : 0C
Tra khối lượng riêng của benzene, Toluene: ρB= 788,5(kg/m3); ρT= 784,2(kg/m3).

Chọn h= 0,3 m,
 Xác định
Kết luận : hai đường kính đoạn cất và đoạn chưng không chênh lệch nhau quá lớn nên
ta chọn đường kính của tồn tháp là : Dt = 1,2 m.
3.2 CHIỀU CAO THÁP
Từ công thức IX.54 trang 170, [2] ta tính chiều cao tồn tháp:
Trong đó





H: chiều cao của tháp (m)
Nt: số mâm thực tế
Hđ: khoảng cách giữa các mâm (m)
: chiều dày của mâm (m)

Tra bảng IX.4a trang 170, [2] chọn giá trị hmâm = 0,4 m; δ = 6 mm = 6.10-3 m
H = 28. (0,4 + 6.10-3) + 1 = 12,4 (m)
Chiều cao của thân tháp: Hthân =12,4 (m)
Chiều cao của đáy và nắp: Hđ = Hn =0,25. D = 0,3 (m)
(Xem ở phần (III.2): Đáy và Nắp thiết bị).
Chiều cao của tháp: H = Hthân + Hđ + Hn = 13 m
13


CHƯƠNG 4
TRỞ LỰC THÁP MÂM XUN LỖ
4.1 TÍNH TỐN MÂN LỖ
Cấu tạo mâm lỗ:

•

Tiết diện tự do bằng 8% diện tích mâm.

•

Đường kính lỗ: 0,08 m

•

Chiều cao gờ chảy tràn: 0,065 m

•

Diện tích hình viên phân (bán nguyệt) bằng 20% diện tích mâm.

•

Lỗ bố trí theo hình lục giác đều.

•

Khoảng cách giữa 2 tâm lỗ: 0,03 m

•

Bề dày mâm bằng 0,6 lần đường kính lỗ: 0,005 m.

•

Mâm được làm bằng thép khơng gỉ: X18H10T
 Tính số lỗ trên mâm:
Diện tích của 1 lỗ:
Diện tích của 1 mâm:
Số lỗ trên mâm: 0,08*
Gọi a là số hình lục giác: (V.139 tập 2 trang 48) ta có:
Số hình: 3a(a-1) +1= 1808 suy ra

a= 25

Suy ra số lỗ thực N= 1801 lỗ
Số lỗ trên đường chéo: b= 2a – 1 = 2x25 – 1 =49.
4.2 TRỞ LỰC MÂN LỖ
4.2.1 Trở lực của đĩa khô:
ρy: khối lượng riêng của pha hơi (kg/m3)
ω0: vận tốc của pha khí qua lỗ (m/s), được tính: Ɛ: 1,82 (trang 194 tập 2)
Phần chưng

Phần cất

ρy

2,85

2,74

ω0

6,63

6,88

ΔPk (N/m2)

114

118

4.2.2 Trở lực do sức căng bề mặt
14


Phần chưng

Phần cất

ttb (0C)

103

88

σB

0,0184

0,0211

σT

0,0191

0,0206

σ

0,00938

0,0104

dl

0,004

0,004

ΔPS

7,21

8

4.2.3 Trở lực thủy tĩnh do chất lỏng trên đĩa tạo ra
). g.
Trong đó:
•
•
•
•

•


k=0,5
Ql lưu lượng lỏng (m3/h)
ρx: Khối lượng riêng lỏng.
Lc: chiều dài ống chảy tràn
hg chiều dài gờ chảy tràn (bằng 65mm)
Tính chiều dài ống chảy tràn :

LC

Squạt – Stamgiác = Sbán nguyệt
Diện tích dành cho ống chảy chuyền là 20% diện tích mân nên ta có phương trình:
suy ra suy ra: Lc= Dt* = 1,2
 Lưu lượng lỏng tính theo cơng thức:
Qchưng=

Qcất=

 Trở lực thủy tĩnh được tính tốn và thu được giá trị như bảng sau:
Phần chưng
15

Phần cất


ρx(kg/m3)

784,9

801,2

Qx (m3/h)

12,38

5,4

Qx/Lc (m2/m.h)

10,3

4,5

m

10000

6400

ΔPb (N/m2)

281,23

267,49

 Tổng trở lực thủy lực của pha khí qua 1 mâm:
 Đoạn chưng: ΔPc=ΔPkc+ΔPσc+ΔPbc=114+7,21+281,23= 402,44 N/m2
 Đoạn luyện: ΔPL=ΔPkl+ΔPσl+ΔPbl=118 + 8 + 267,49 =393,49 N/m2

Trở lực trung bình của 1 mâm trong tháp là: (402,44 + 393,49)/2= 397,97
Tổng trở lực của toàn tháp: ΔP tổng = Ntt ΔPtb=28. 397,97=11143 N/m2
 Kiểm tra lại khoảng cách h=0,4 m bảo bảo cho điều kiện hoạt động bình
thường của tháp:
Phần chưng: (Thỏa mãn)
Phần cất: (Thỏa mãn)
 Chiều cao mực chất lỏng trong ống chảy chuyền khi tháp hoạt động qua mâm
xuyên lỗ là:
hc=hg+ht+hd+how
hg: chiều cao gờ chảy tràn: 0,065m
ht: độ giảm áp của pha khí qua một mâm: ht=
hd: tổn thất thủy lực do dòng chảy từ ống chảy chuyền vào mâm: hd= 0,128
Sd: tiết diện giữa ống chảy chuyền vào mâm: Sd=0,1Smâm=0,1.1,13=0,113m2
hOW: chiều cao mực chất lỏng trên mâm: how= 43,4
Lc: chiều dài gờ chảy tràn.
Đơn vị mm chất lỏng

Phần chưng

Phần cất

ht

52,27

50,06

hd

0,154

0,029

how

13,4

7,7

hc

130,9

122,8

16


CHƯƠNG 5
TÍNH CƠ KHÍ
5.1 TÍNH TỐN PHẦN THÂN THÁP
Vì tháp chưng cất hoạt động ở áp suất thường nên ta thiết kế thân hình trụ bằng
phương pháp hàn giáp mối (phương pháp hồ quang). Thân tháp được ghép với nhau
bằng các mối ghép bích.
Để đảm bảo chất lượng của sản phẩm và khả năng ăn mòn đối với thiết bị, ta chọn
vật liệu chế tạo thân tháp là thép không gỉ mã X18H10T.

 Áp suất tính tốn:
Tháp làm việc ở áp suất khí quyển, nên ta chọn áp suất tính toán:
P =Px + htl + Pmt (N/mm2)

Với: Px: áp suất thủy tĩnh do chất lỏng ở đáy (N/mm2)
Chọn áp suất tính tốn sao cho tháp hoạt động ở điều kiện nguy hiểm nhất mà vẫn an
toàn nên:
Px = x. g. H = ( 801,2 + 784,9)/2. 9,81. 13= 101131 Pa
Suy ra: P= 101131 +11143 + 9,81.104 = 210374 N/m2= 210374.10-6 (N/mm2).

 Nhiệt độ tính tốn:
Chọn nhiệt độ tính tốn: ttt = tsôi = 110,5 oC.
Tra tài liệu tham khảo [5], ứng suất tiêu chuẩn đối với thép X18H10T:[]* = 142
N/mm2
Thân tháp có lớp bọc cách nhiệt nên chon η=0,95
Vậy: ứng suất cho phép: [] = .[]* = 134,9 N/mm2
 Xác định bề dày thân chịu áp suất trong:
Ta chọn phương pháp chế tạo thân là phương pháp hàn hồ quang điện bằng tay nên hệ
số bền mối hàn: h = 0,9

do đó, bề dày tính tốn của thân được tính theo công thức sau :
Suy ra: bề dày thực của thân : Sttt = St + Ca + Co = 0,93 + 1 + 1 = 2,93

;mm.

+ Ca : hệ số bổ sung do ăn mịn hố học trong khoảng 20 năm, do đó Ca =2 mm.
+ C0: là sai số do tính tốn, thiết kế .
17


Quy tròn theo chuẩn: S = 3 mm (Bảng 5.1 trang 94, [2])
* Kiểm tra cơng thức tính tốn với St = 3 mm :
* Kiểm tra áp suất tính tốn cho phép:
Kết luận: S = 3 mm

5.2 TÍNH TỐN ĐÁY VÀ NẮP

Chọn đáy và nắp có dạn hình elip tiêu chuẩn có gờ, làm bằng thép X18H10T
Chọn bề dày đáy và nắp bằng với bề dày thân tháp S = 3 mm
 Kiểm tra điều kiện:
Ta có: (thoả)
Vì đáy và nắp có hình elip tiêu chuẩn với ht = Dt.0,25= 300 (XIII.11/383, [2])
Suy ra: điều kiện trên được thoả như đã kiểm tra ờ phần thân tháp
 Kích thước của đáy và nắp
• Đường kính trong: Dt = 1200mm
• ht = 300 mm
• Bề dày: S = 3 mm
5.3 TÍNH TỐN CHI TIẾT ỐNG DẪN
• Ống dẫn thường được nối với thiết bị bằng mối ghép tháo được hoặc không tháo
được. Trong thiết bị này, ta sử dụng mối ghép tháo được.
• Đối với mối ghép tháo được, người ta làm đoạn ống nối, đó là đoạn ống ngắn có mặt
bích hay ren để nối với ống dẫn
• Loại có mặt bích thường dùng với ống có đường kính d > 10 mm
• Loại ren chủ yếu dùng với ống có đường kính , đơi khi có thể dùng với
• Ống dẫn được làm bằng thép X18H10T
• Bích được làm bằng thép CT3, cấu tạo của bích là bích liền khơng cổ
Cơng thức xác định đường kính ống dẫn khi biết lưu lượng và tốc độ:
•

ω: Tốc độ trung bình trung bình của chất lỏng và khí chuyển động trong ống dẫn;

m/s
18

V: Lưu lượng thể tích; m3/s

•

5.3.1 Ống dẫn hơi vào thiết bị ngưng tụ
 Nồng độ trung bình của pha hơi ở đỉnh tháp:
Ta có xD = 0,975 suy ra tD = 80,50C và yD = 0,989
 Khối lượng riêng của hơi ra khỏi đỉnh tháp:= 2,71
 Chọn tốc độ trung bình của hơi quá nhiệt chuyển động trong ống ω1 = 35 m/s
 Lưu lượng hơi ra khỏi đỉnh tháp:
 Đường kính trong của ống nối
Chọn theo chuẩn d1=0,15m.
 Tra bảng XIII.32 trang 434, [2] suy ra chiều dài đoạn ống nối là: l = 130 mm
 Tra bảng XIII.26, trang 414,[2] với P=0,210374 N/mm2 ta thu được bảng số liệu:
Dy

Dn

D

Dl

l

Bu lơng
dB

130

M16

h

mm
150
159
260
225
202
16
5.3.2 Ống dẫn dịng hồi lưu dịng sản phẩm đỉnh

z
cái
8

 Nồng độ trung bình của pha hơi ở đỉnh tháp:
xD = 0,975 suy ra tD = 80,50C và yD = 0,989
 Khối lượng riêng của hơi ra khỏi đỉnh tháp:= 790
Suất lượng dịng hồn lưu:
Lưu lượng dịng hồn lưu:
 Chọn loại ống nối cắm sâu vào thiết bị
 Chọn tốc độ trung bình của chất lỏng tự chảy là ω2 = 0.5 m/s
 Đường kính trong của ống nối
Suy ra chọn đường kính ống nối là: d2 = 60 mm
 Tra bảng XIII.32 trang 434, [2] suy ra chiều dài đoạn ống nối là: l = 100 mm
 Tra bảng XIII.26, trang 414, [2] với P = 0,21965 N/mm 2 ta thu được bảng số liệu
sau:
Dy

Dn

D

Dl
mm
19

h

l

Bu lông
dB

z
cái


40

45
130
100
5.3.3 Ống dẫn dịng nhập liệu

80

12

100

M12

4

 Nồng độ trung bình của pha hơi ở đỉnh tháp:
xD = 0,375 suy ra tD = 96,50C
 Khối lượng riêng của hơi ra khỏi đỉnh tháp:= 789
 Lưu lượng dòng nhập liệu:
 Chọn loại ống nối cắm sâu vào thiết bị
 Chọn vân tốc chất lỏng trong ống nối là ω3 = 1,3 m/s
 Đường kính của ống nối:
Suy ra chọn ống có đường kính:
 Tra bảng XIII.32 trang 434, [2] suy ra chiều dài đoạn ống nối là: l = 100 mm
 Tra bảng XIII.26, trang 414, [2] với P=0,21965 N/mm2 ta thu được bảng số liệu
Dy

Dl

h

l

Bu lơng
dB

45
130
100

80
5.3.4 Ống dẫn dịng sản phẩm đáy:

12

100

M12

Dn

D
mm

40

z
cái
4

 Nồng độ trung bình của pha hơi ở đỉnh tháp:
xD = 0,002 suy ra tD = 109,50C
 Khối lượng riêng của hơi ra khỏi đỉnh tháp:= 801
Lưu lượng dòng sản phẩm đáy:
 Chọn loại ống nối cắm sâu vào thiết bị
 Chọn vân tốc chất lỏng trong ống nối là ω3 = 0,4 m/s
 Đường kính của ống nối:
Suy ra chọn ống có đường kính:
 Tra bảng XIII.32 trang 434, [2] suy ra chiều dài đoạn ống nối là: l = 100 mm
 Tra bảng XIII.26, trang 414, [2] với P = 0,21965 N/mm 2 ta thu được bảng số liệu

sau:
Dy

Dn

D

Dl

h

l

Bu lông
dB

80

12

100

M12

mm
40

45

130

100

20

z
cái
4


5.3.5 Ống dẫn hơi vào đáy tháp
 Nồng độ trung bình của pha hơi ở đỉnh tháp:
Ta có xD = 0,002 suy ra tD = 109,50C và
 Khối lượng riêng của hơi ra khỏi đỉnh tháp:= 2,69
 Lưu lượng dòng sản phẩm đáy:
 Chọn loại ống nối cắm sâu vào thiết bị
 Tốc độ trung bình của hơi quá nhiệt chuyển động trong ống dẫn là ω3=40m/s
 Đường kính của ống nối:
Suy ra chọn ống có đường kính:
 Tra bảng XIII.32 trang 434, [2] suy ra chiều dài đoạn ống nối là: l = 130 mm
 Tra bảng XIII.26, trang 414,[2] với P=0,21965 N/mm2 ta thu được bảng số liệu:
Dy

Dn

D

Dl

h

l

Bu lơng
dB

232

16

130

M16

mm
200

219

290

255

z
cái
8

5.4 MẶT BÍCH VÀ VỊNG ĐỆM
5.4.1 Bích và đệm để nối và bít kín thiết bị

Chọn bích được ghép thân, đáy và nắp làm bằng thép CT3, cấu tạo của bích là bích
liền khơng cổ.
Tra (XIII.27/419,[2]) với và áp suất tính tốn P = 210374.10-6 N/mm2
Dt

D

Db

DI

Do

h

Bu lơng
dB

Mm
1200

1340

1290

1260

1213

22

M20

Với Dt=1200mm chọn số đĩa giữa 2 mặt bích là 5 nên số bích 6
Vây khoảng cách giữa 2 mặt bích là: 2000 mm ( giữa 5 bích có 4 khoảng)
21

z
cái
28