Thiết kế tháp chưng cất hệ benzen toluen hoạt động liên tục với năng suất nhập liệu là 1500kg/h ,có nồng độ là 25%mol benzen ,thu được sản phẩm đỉnh có nồng độ là 94% mol benzen

Lời nói đầu

Một trong những ngành có sự đóng góp to lớn đến nền cơng nghiệp nước
ta nói riêng và thế giới nói chung là ngành cơng nghệ hóa học .Hiện nay
trong nhiều ngành sản xuất hóa chất cũng như sử dụng sản phẩm hóa học
,nhu cầu sử dụng nguyên liệu hoặc sản phẩm có độ tinh khiết cao phải phù
hợp với quy trình sản xuất hoặc nhu cầu sử dụng . Ngày nay các phương
pháp được sử dụng để nâng cao độ tinh khiết như trích ly ,chưng cất ,cơ
đặc hấp thu .Tùy theo đặc tính u cầu của sản phẩm mà ta có sự lựa
chọn phương pháp thích hợp .Đối với hệ Benzen – Toluen là hai cấu tự
hịa tan vào nhau và có nhiệt độ sơi khác nhau nên ta chọn phương pháp
chưng cất tách các cấu tử trong hỗn hợp và thu được benzen có độ tinh
khiết cao .Đồ án môn học và thiết bị là mơn học mang tính tổng hợp trong
q trình học tập của các kỹ sư hóa học trong tương lai . Mơn học giúp
sinh viên giải quyết tính tốn cụ thể về yêu cầu công nghệ ,kết cấu điều
kiện vận hành ,giá thành của một thiết bị trong sản xuất hóa ,thực
phẩm.Đây là bước đầu tiên để sinh viên vận dụng những kiến thức đã học
để giải quyết những vấn đề kỹ thuật trong thực tế một cách tổng quát
.Nhiệm vụ của môn học này là thiết kế tháp chưng cất hệ benzen toluen
hoạt động liên tục với năng suất nhập liệu là 1500kg/h ,có nồng độ là
25%mol benzen ,thu được sản phẩm đỉnh có nồng độ là 94% mol benzen
và sản phẩm đáy có nồng độ là 3%mol benzen .Em chân thành cảm ơn
thầy cơ bộ mơn hóa học và thực phẩm ,các bạn sinh viên đã giúp em hoàn
thành đồ án này .Tuy nhiên trong quá trình làm bài khơng tránh được
những sai xót ,rất mong q thầy cơ góp ý ,chỉ dẫn để em hồn thành tốt
hơn.

1


Lời mở đầu:

MỤC LUC :………………………………………………………………………1
ĐỒ ÁN : …………………………………………………………………………3
1. Đầu đề đồ án: ………………………………………………………….…..3
2. Nhiệm vụ đồ án :…………………………………………………………..3
3. Nội dung các phần thuyết minh tính tốn : ...……………………………..3
4. Các bản vẽ và đồ thị : ……………………………………………………..4
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN……………………………………………………..5
1. Khái niệm : …………………………………………………………………5
2. Phương pháp chưng cất :…………………………………………….……..6
CHƯƠNG II: SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ
VÀ THUYẾT MINH CHI TIẾT SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ…………………….11
CHƯƠNG III: CÂN BẰNG VẬT CHẤT
VÀ CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG…………………………………………....13
1. Cân bằng vật chất : ………………………………………………………14
2. Cân bằng năng lượng : ………………………………………………..…15
CHƯƠNG IV : TÍNH TỐN THIẾT BỊ CHÍNH : ……………………………30
1. Tính đường kinh tháp : ……………………………………………..……30
2. Chiều cao thân tháp : ………………………………………………….…39
3. Tính trở lực của tháp : ………………………………………………...…40
4. Tính thân tháp chưng cất : ………………………………………….……50
5. Đáy và nắp thiết bị : ………………………………………………...…...56
6. Chi tiết ống dẫn : ………………………………………………………...58

2


7. Chọn bích và vịng đệm : ………………………………………..……….63
8. Tai treo – Chân đỡ : ………………………………………………...……52
CHƯƠNG V :TÍNH TỐN THIẾT BỊ PHỤ : .………………………………..69
1. Thiết bị làm ngưng tụ : ………………………………….………………..69

2. Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy : …………………………………….....76
3. Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh : ……………………………………....79
4. Thiết bị nồi đun : ………………………………………………………….81
5. Thiết bị đun sơi dịng nhập liệu : ………………………………………....86
6. Bơm : …………………………………………………………………...…92
TÀI LIỆU THAM KHẢO : …………………………………………………...…95

3


TRƯỜNG ĐH CƠNG NGHỆ THỰC PHẨM
Tp. Hồ Chí Minh
Khoa: CƠNG NGHỆ HĨA HỌC

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc

Bộ Môn: QT&TB CNHH-SH-TP

ĐỒ ÁN
MƠN HỌC: Q trình&Thiết bị - Mã số: 24
1. Đầu đề đồ án (Tên đồ án )
_ Thiết kế tháp chưng cất hỗn hợp Benzen-Tolune 1500kg nhập liệu/h
2. Nhiệm vụ đồ án ( nội dung yêu cầu và số liệu ban đầu ):
_ Nồng độ nhập liệu : 25% mol benzen
_ Sản phẩm đỉnh: 94% mol benzen
_ Sản phẩm đáy: 3% mol benzen
_ Tháp mâm chóp
_ Các thơng số khác tự chọn
3. Nội dung các phần thuyết minh tính tốn:

_ Tổng quan
_ Cân bằng vật chất
_ Cân bằng năng lượng
_ Tính kích thước tháp, mâm
_ Kết cấu tháp
_ Tính thiết bị phụ
_ Vẽ sơ đồ nguyên lý
_ Thuyết minh chi tiết sơ đồ nguyên lý

4


_ Vẽ sơ đồ thiết bị chính có chú thích trên bản vẽ
4. Các bản vẽ và đồ thị ( loại và kích thước bản vẽ ):
_ 1 bản vẽ A1 in sơ đồ nguyên lý
_ 1 bản vẽ A1 tháp chưng

5


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
( 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 q 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 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 đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi nhỏ (nhiệt độ

sơi lớn)
- Đối với hệ Benzen – Toluen

6



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 sơi của các
cấu tử.
_ Ngun 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.
a. 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.

7

_ 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 chóp : trên mâm bố trí có chóp dạng trịn, xupap, ….
_ Tháp mâm xun 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
- Cấu tạo khá đơn giản.

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

- Trở lực thấp.

thấp.

Ưu

- Làm việc được với chất - Hiệu suất khá cao.

điểm

lỏng bẩn nếu dùng đệm cầu

- Hiệu suất cao.

có  của chất lỏng.

- Do có hiệu ứng thành  - Khơng làm việc - Có trở lực
hiệu suất truyền khối thấp.

được với chất lỏng lớn.

- Độ ổn định khơng cao, bẩn.
Nhược
điểm

khó vận hành.

- Tiêu tốn nhiều

- Kết cấu khá phức vật tư, kết cấu

- Do có hiệu ứng thành  tạp.

phức tạp.

khi tăng năng suất thì hiệu
ứng thành tăng  khó tăng
năng suất.

- Thiết bị khá nặng nề.
Vậy :Theo yêu cầu của đồ án, ta sử dụng mâm chóp để chưng cất hỗn hợp benzentoluen

8


b. Giới thiệu về nguyên liệu :Benzen & Toluen :

_ Benzen: là một hợp chất mạch vòng, ở dạng lỏng khơng màu và có
mùi thơm nhẹ.Cơng thức phận tử là C6H6. Benzen khơng 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 benzen làm dung mơi.
Tuy nhiên sau đó người ta phát hiện ra rằng nồng độ benzen trong
khơng 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(200C): 0,879
o Nhiệt độ sôi: 800 C
o Nhiệt độ nóng chảy:5,500C
_ Toluen: là một hợp chất mạch vịng,ở dạng lỏng và có tính thơm
,cơng thức phân tử tương tự như benzen có gắn thêm nhóm –CH3.
Khơng phân cực,do đó toluen tan tốt trong benzen.Toluen có tính chất
dung mơi tương tự benzen nhưng độc tính thấp hơn nhiều, nên ngày
nay thường được sử dụng thay benzen làm dung môi trong phịng thí
nghiệm và trong cơng nghiệp.
_ Các tính chất vật lí của toluen:
o Khối lượng phân tử : 92,13
o Tỉ trọng (20oC) : 0,866
o Nhiệt độ sôi : 111oC
o Nhiệt độ nóng chảy : -95 oC
c. Các phương thức điều chế :
_ Đi từ nguồn thiên nhiên

9


_ Thơng thường các hidrocacbon 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 dehiro hóa ankane
_ Các ankane có thể tham gia đóng vịng và dehidro hóa tạo thành hidro
cacbon thơm ở nhiệt độ cao và có mặt xúc tác như Cr2O3, hay các lim
loại chuyển tiếp như Pd, Pt
Cr 2 O3 / Al 2 O3
CH3(CH2)4CH3 ⃗
C6H6

_ 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
C6H12

⃗
Pt / Pd C6H6

_ Đi từ acetylen
_ 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 benzen
xt
3C2H2 ⃗

C6H6

_ 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 AlCl3 khan
AlCl 3
C6H6 + CH3- Cl ⃗

C6H5-CH3

d. 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 ST2)

10


x (% phân
0
mol)
y (% phân
0
mol)
110,
t (oC)
6

11

5

10

20

30

40

50

11,8

21,4

38

51,
1
98,
102,2
6

61,
9
95,
2

71,
2
92,
1

108,
3

106,
1

60

70

80

79

85,4 91

89,
4

86,8

84,
4

90
95,
9
82,
3

100
100
80,2


CHƯƠNG II: SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ
VÀ THUYẾT MINH CHI TIẾT SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ

Hỗn hợp Benzen – Toluen có nồng độ Benzen là 25% (phần khối mol), nhiệt độ
nguyên liệu lúc đầu là 30℃ 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 q trình
chưng cất.
Lưu lượng dịng nhập liệu được kiểm sốt 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 94% phần khối mol). 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

12


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 hồn lưu thích hợp và được kiểm sốt 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 3% phần khối mol, 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

CHƯƠNG III:
CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
13

 Yêu cầu thiết bị:
_ Thiết bị làm việc ở áp suất thường P = 1 atm
_ Loại tháp: Đĩa chóp trịn
 Các thơng số ban đầu
_ Hỗn hợp ban đầu:
o Benzen: C6H6, ts = 81,1oC
o Toluen: C6H5CH3, ts = 110oC
_ Suất lượng nhập liệu:

G F=1500( kg /h)

_ Nồng độ hỗn hợp đầu:

x F =0.25( pmol)

_ Nồng độ sản phẩm đỉnh: x D =0.94 ( pmol)
_ Nồng độ hỗn hợp đáy:

x W =0.03(pmol )

1. Cân bằng vật chất :
_ Chuyển đổi nồng độ phần mol về nồng độ phần khối lượng :
M Benzen=78.1 :khối lượng phân tử của benzen
M Toluen=92.13 :khối lượng phân tử của toluen
x F × M Benzen

´x F =
¿

x F × M Benzen + ( 1−x F ) × M Toluen

0.25 ×78
=0.22 (pkl)
0.25× 78+ ( 1−0.25 ) × 92

´x D =
¿

x D × M Benzen
x D × M Benzen + ( 1− x D ) × M Toluen

0.94 × 78
=0.92( pkl)
0.94 ×78+ ( 1−0.94 ) ×92

14


´x W =
¿

x W × M Benzen
x W × M Benzen + ( 1−x W ) × M Toluen

0.03 ×78
=0.02 (pkl)
0.03× 78+ ( 1−0.03 ) × 92

_ Ta có hệ phương trình cân bằng vật chất tính tốn theo suất lượng khối

lượng và nồng độ phần khối lượng : (ST2: IX.16,IX.16/144)
GF =G D +GW
GF × x´ F =GD × x´ D +GW × ´x W

{

↔

1500=G D + G W
1500 ×0.22=0.92× G D + 0.02× G W

{

↔ GD =333.33(kg /h)
GW =1166.66( kg/h)

{

_ Chuyển đổi suất lượng khối lượng thành suất lượng mol :
F=

G F × x´ F G F × ( 1−´x F )
+
M Benzen
M Toluen
¿

D=

G D × ´x D G D × ( 1−´x D )

+
M Benzen
M Toluen
¿

w=

1500× 0.22 1500 ×(1−0.22)
+
=16.95 (kmolh)
78
92

333.33× 0.92 333.33 ×(1−0.92)
+
=4.22(kmolh)
78
92

G w × ´x w G w × ( 1−´x w )
+
M Benzen
M Toluen
¿

15

1166.66 ×0.02 1166.66 ×(1−0.02)
+
=12.72( kmolh)

78
92


 Chỉ số hoàn lưu :
_ Dựa vào bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn
hợp Benzen – Toluen ở 760 mmHg.(ST2: bảng X.2a/146), ta nội
¿

suy, ta có: x F =0.25 ( pmol ) , thì suy ra y F =0,456 ( pmol ) ,
x (% phân
0
mol)
y (% phân
0
mol)
110,
t (oC)
6

5

10

20

11,8

21,4

38

108,
3

106,1

102,
2

30

40

50

51,
1
98,
6

61,
9
95,
2

71,
2
92,
1

60

70

85,
4
86,
89,4
8
79

80
91
84,
4

90
95,
9
82,
3

XÁC ĐỊNH CHỈ SỐ HỒI LƯU THÍCH HỢP
Các chỉ số hồi lưu tối thiểu
Chỉ số hồi lưu tối thiểu là chỉ số mà ở đó ứng với số mâm lý thuyết là vơ cực .Do
đó chi phí cố định là vơ cực chi phí điều hành ( nhiên liệu nước và bơm là tối
thiểu)

16

100
100
80,2


100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

PHƯƠNG TRÌNH LÀM VIỆC VÀ SỐ MÂM LÝ THUYẾT
_Chỉ số hoàn lưu tối thiểu :
Rmin =
¿

x D − y ¿F
( ST 2 : IX .24/158)
y ¿F −x F

0,94−0.456
=2,34
0.456−0.25

_ Chỉ số hồn lưu làm việc :
R=R LV =1.3 × Rmin +0.3

(ST2: IX.25b/159)

¿ 1.3 ×2,34+ 0.3=3.34

_ Từ đây ta có được phương trình làm việc của phần cất :
y=

xD
R
3,34
0,94
x+
=
x+
R+1
R+1 3,34 +1
3,34 +1

¿> y =0,76 x+ 0,21

17

100


Phương trình làm việc của đoạn chưng
R+f

Y= R +1 x ¿

f −1
x
R +1 w

Với f=

xD

xF

-

xW
xW

=

0,94
0,25

-

0,03
0,03

= 4,13

3,34
4,13−1
x−
.0,03
3,34+1
3,34+ 1

¿> y =1,72 x +0,021

 Số mâm lý thuyết :
_ Để xác định số mâm lý thuyết ta phải xác định ba đường gồm :

o Vẽ đường làm việc phần cất theo phương trình:
y=

xD
R
x+
=0,76 x+ 0,21
R+1
R+1

o Vẽ đường nhập liệu
o Vẽ đường làm việc phần chưng qua điểm W (x=y= x W =0.03)
Hình: Đồ thị mâm lý thuyết
 Vậy số mâm lý thuyết của ta là: 13
 Vị trí mâm nhập liệu : 7
(7 mâm phần luyện: từ mâm 1 đến mâm 7,
6 mâm phần chưng: từ mâm 8 đến mâm 13)
 Số mâm thực tế :
Có nhiều phương pháp xác định số mâm thực của tháp ,ngoại trừ các ảnh
hưởng cưa thiết kế cơ khí của tháp thì ta có thể xác định số mâm thực
dựa vào hiệu suất trung bình .
Ta xác định số đĩa thực tế theo hiệu suất trung bình :
N tt =

18

N¿
❑tb

(ST2: IX.59/170)

Ta có ❑tb=f (αμ),

Hình X.11: xác định hiệu suất trung bình của thiết bị

y

1−x

_ Trong đó :α = 1− y × x

_ Tra các nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi và pha
lỏng ứng với mỗi số mâm lý thuyết dựa vào “Hình Đồ thị mâm lý
thuyết” trên.
_ Nội suy độ nhớt của benzene và toluene từ( ST1-bảng .101/91), ứng
với từng nhiệt dộ nội suy được từ (ST2: bảng X.2a/146) , rồi tính độ
nhớt của hỗn hợp theo cơng thức :
lg μ hh=x ×lg μBenzen + ( 1−x ) lg μToluen (ST 1: I .12/ 84)

(10−3 N × s/m2 ¿=( cP)
_ Dựa vào tích số (αμ ¿ tra đồ thị để tìm hiệu suất trung bình (ST2:Hình
X.1/171)
Nt = Nlt/ηtb

19


_ Trong đó: Nt – số đĩa thực tế, Nlt - số đĩa lý thuyết, tb – hiệu suất
trung bình của thiết bị.

❑tb =

_

❑1+❑2 +❑3 + …+❑n
n

Trong đó ni - hiệu suất của các bậc thay đổi nồng độ, n - số vị trí tính hiệu

suất
_ Trong trường hợp này ta tính.

(¿tb )l=

❑D +❑F +❑W
¿
3

Với ❑D +❑F +❑W 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
ta có:T D (nhiệt độ đỉnh tháp) = 81,46℃ , x D = 0,94 suy ra y D= 0,95 sử dụng
bảng I.101 trang 91 st1 tra và nội suy các giá trị độ nhớt μ Benzen=0,311.10−3
N.S/m2, μToluen=¿ 0,316.10−3 N.S/m2
Độ nhớt của hỗn hợp: lg μ hh=x ×lg μBenzen + ( 1−x ) lg μToluen ( ST 1: I .12/84)
= 0,94lg(0,311.10−3) +(1-0,94)lg(0,316.10−3 )
=0,316.10−3 N.S/m2= 0,316 cP
y

1−x

0,95

1−0,94

Và độ bay hơi tương đối:α = 1− y × x = 1−0,95 × 0,94 =1,21
→ α . μ hh=1.21×0.315=0.38

Theo hình ix.11 trang 171thì ❑D =0.63
Xác định ❑F tương tự ta có:
ta có:T F (nhiệt độ nhập liệu) = 100.4℃ , x F = 0.25 suy ra y D= 0.448 sử
dụng bảng I.101 trang 91 st1 tra và nội suy các giá trị độ
=0,260.10−3 N.S/m2, μToluen=¿ 0,270.10−3 N.S/m2

20

nhớt μ Benzen


Độ nhớt của hỗn hợp: lg μ hh=x ×lg μBenzen + ( 1−x ) lg μToluen ( ST 1: I .12/84)
= 0,25.lg(0,260.10−3)+(1-0,25)lg(0,270.10−3 )
= 0,269.10−3 N.S/m2= 0.269 cP
y

1−x

0,448

1−0,25

Và độ bay hơi tương đối:α = 1− y × x = 1−0,448 × 0,25 =2,43
→ α . μ hh= 2.43×0.269 = 0.653

Theo hình ix.11 trang 171thì ❑F =0.546
Xác định ❑W tương tự ta có:
ta có:T W (nhiệt độ đáy tháp) = 98.6℃ , x W = 0.03 suy ra y W = 0.16 sử dụng
bảng I.101 trang 91 st1 tra và nội suy các giá trị độ

nhớt μ Benzen=0,260.

10−3 N.S/m 2, μToluen=¿ 0,267.10−3 N.S/m 2

Độ nhớt của hỗn hợp: lg μ hh=x ×lg μBenzen + ( 1−x ) lg μToluen ( ST 1: I .12/84)
= 0,03.lg(0,260.10−3 ) +(1-0,03)lg(0,267.10−3 )
= 0,281.10−3 N.S/m2= 0,281 cP
y

1−x

0.16

1−0.03

Và độ bay hơi tương đối:α = 1− y × x = 1−0.16 × 0.03 =6.15
→ α . μ hh= 6.15×0.281 = 1.72

Theo hình ix.11 trang 171thì ❑W =0.44
(¿tb )l=

❑D +❑F +❑W
¿
3

Ta có số mâm thực tế là :
Nt = Nlt/ηtb = 13 / 0.538 =24 mâm

Suy ra số mâm thực tế là 24 mâm
2.Cân bằng năng lượng :
a. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng dịng nhập liệu:
_ Phương trình cân bằng nhiệt lượng :
Q D 1+ Q f =Q F + Q ng1 +Q xq1 ( ST 2: IX .149 /149)

21


QD1 : Nhiệt lượng hơi đốt mang vào (J/h)
Qf : Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào (J/h)
QF :Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra (J/h)
Qng1 : Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra (J/h)
Qxq1 : Nhiệt lượng mất mát (J/h)
−3

10
1 ( kW ) =1(kJ / s)=
(J /h)
3600

_ Nhiệt lượng do hỗn hợp nhập liệu mang vào:
Q f =G F ×C f ×t f ( ST 2 : IX .151/196)

o Chọn nhiệt độ ban dầu của hỗn hợp : t f =30° C
o : x=´x F =0.174 89 ( pmol )
o Nội suy từ ( ST1: bảng: I.153/171), với t f =30° C , ta có :
C Benzen=1777.5(J /kg .° C)
C Toluen=1755(J /kg . ° C)
C f =Chh=x ×C B + ( 1−x ) ×C T
¿ 0.174 89 ×1777.5+ (1−0.174 89 ) ×1755
¿ 1758935( J /kg .° C)
→ Qf =1500× 1758935× 30=79152075( J /h)=21.986(kW )

_ Nhiệt lượng do hỗn hợp nhập liệu mang ra:
Q F=G F ×C F × t F (ST 2 : IX .152/196)

o Nhiệt độ của hỗn hợp ra khỏi thiết bị: nội suy từ(ST2: bảng
IX.2a), ta có :t F =100.4 ° C
o : x=´x F =0.22 ( pmol )
o Nội suy từ (ST1: bảng: I.153/171), với t F =100.4 ° C, ta có :
C Benzen=2123,23(J /kg .° C)

C Toluen=2073.42(J / kg . ° C )

22


C f =Chh=x ×C Benzen + ( 1−x ) × CToluen
¿ 0.22 ×2123.23+ ( 1−0.22 ) × 2073.42
¿ 2084.37( J /kg .° C)
→ QF =GF × C F ×t F =1500 ×2084.37 × 100.4

¿ 313906122 ( J /h )=87.2( kW )

_ Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào :
Q D 1=D1 × λn 1=D 1 × ( r h 1+θ n 1 ×C n 1 ) (ST 2: IX .150 /196)

C n 1 :nhiệt dung riêng của nước ngưng ( J /kg ° C)
λ n1 : Nhiệt lượng riêng của hơi đốt (J /kg)
θn 1=119.62 ° C : Nhiệt nước ngưng
r h 1 : ẩn nhiệt hóa hơi(J/kg)

D1 : Lượng hơi đốt (Kg/h)
_ Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra:
Q ng 1=G ng 1 × θn 1 × Cn 1=D1 ×θ n1 ×C n 1 (ST 2 : IX .153/196)

_ Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh lấy bằng 5% nhiệt do
hơi đốt mang vào :
Q xq1=0.05 ×Q D 1=0.05 × D1 × r h 1( ST 2 : IX .154/196)

_ Lượng hơi đốt ( lượng hơi nước) cần thiết để đun nóng hỗn hợp nhập
liệu đến độ sôi là :
D 1=

Q F +Q ng 1+Q xq1−Q f QF −Q f
=
(ST 2 : IX .155/196)
λn 1
0.95 r h 1

o Chọn hơi đốt là hơi nước bão hòa: p=2at,
t s=θ n 1=119.62 ° C

(ST2:bảng I.148/166)

o Nội suy từ (ST2: bảng I.212/254),ta được :
r h 1=526.247 (kcal/kg)

23


¿ 526.247 × 4.1868× 103=2203.29 ×103 (J/kg)
→ D 1=

Q F −Qf 313906122−79152075
=
=112.154 (kg /h)
0.95 r h 1
0.95 ×2203.29 ×103

o Nội suy từ (ST2:bảng I.148/166) ở 119.62 °C ta có:
C n 1=1.014 (kcal/kg°C)
¿ 1.014 × 4.1868 ×103=4245.415 (J/kg°C)
→ QD 1 =D1 × ( r h 1+θ n 1 ×C n 1 )
¿ 112.154 × ( 2203.29 ×103 +119.62 × 4245.415 )
¿ 3760070728( J /h)=104.529( kW )

→ Qng1 =D1 ×θ n 1 ×C n 1=112,154 ×119.62 × 4245.415
¿ 56955899.57( J /h)=15.833 (kW )
→ Q xq 1 =0.05× Q D 1=0.05 ×3760070728
¿ 188003536.4(J /h)=52.2(kW )

b. Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng cất :
_ Tổng lượng nhiệt mang vào tháp bằng tổng lượng nhiệt mang ra:
Q D 2+ Q F + ¿Q y +Q W +Q ng 2+Q xq 2 (ST 2 :IX .156 /197)

QD2 : Nhiệt lượng hơi đốt mang vào (J/h)
QL : Nhiệt lượng do lỏng hồi lưu mang vào tháp (J/h)
QF:Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào tháp (J/h)
Qy:Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp (J/h)
Qw:Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra (J/h)
Qng2 : Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra (J/h)
Qxq2 : Nhiệt lượng mất mát (J/h)

24


_ Nhiệt lượng do dòng nhập liệu mang vào tháp: là Nhiệt lượng do hỗn
hợp nhập liệu mang ra khỏi thiết bị đun nóng dịng nhập liệu:
Q F=G F ×C F × t F =313906122 ( J /h )=87.2 ( kW )

_ Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp :
Q D 2=D 2 × λ n2 =D 2 × ( r h 2+ θn 2 × Cn 2 ) (ST 2 : IX .157 /197)
λ n2 : Nhiệt lượng riêng của hơi đốt (J /kg)
θn 2=119.62 ° C : Nhiệt nước ngưng
r h 2 : ẩn nhiệt hóa hơi(J/kg)

D2 : Lượng hơi đốt (Kg/h)
C n 2 :nhiệt dung riêng của nước ngưng ( J /kg ° C)

_ Nhiệt lượng do lỏng hồi lưu mang vào:
Q L=G L ×C L × t L (ST 2 : IX .158/197)

o Để thuận tiện cho q trình tính tốn, ta chọn t Lbằng với nhiệt độ hơi
ra ngoài đỉnh tháp: Nhiệt độ của hỗn hợp khí ra khỏi thiết bị: nội suy
từ (ST2: bảng IX.2a/146),
ta có:t D =t L =81.46 ° C
o x=´x L =´x D=0.92 ( pmol )
o Nội suy từ (ST1: bảng: I.153/171), với t L =81.46 ° C ,ta có :
C Benzen=2041.205( J /kg .° C)

C Toluen=1986.57(J /kg .° C)
C L =C hh=x ×C Benzen + ( 1−x ) ×C Toluen
¿ 0.92 ×2041.205+ ( 1−0.92 ) ×1986.57
¿ 2036.83( J /kg .° C)
Q →L =G L × C L ×t L=677.351 ×2036.83 ×81.46
¿ 112386194.3( J /h)=31.243(kW )

_ Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp:

25