Thiết kế hệ thống chưng luyện liên tục hỗn hợp hai cấu tử aceton benzen

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN KỸ THUẬT HÓA HỌC

BỘ MÔN QUÁ TRÌNH - THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM

Sinh viên thiết kế: Nguyễn Vĩnh Lượng Lớp, khóa: Kỹ thuật hóa học 05-K64 Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Thị Thu Huyền

HÀ NỘI 2022

VIỆN KỸ THUẬT HÓA HỌC CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

CÔNG NGHỆ HÓA – THỰC PHẨM

NHIỆM VỤ

THIẾT KẾ ĐỒ ÁN MÔN HỌC

Họ và tên: Nguyễn Vĩnh Lượng MSSV: 20190945 Lớp: Kỹ thuật Hóa học 05 Khóa: 64

I Đầu đề thiết kế:

Tính toán và thiết kế hệ thống chưng luyện liên tục loại tháp chóp để tách hỗn hợp hai cấu tử Aceton-Benzen làm việc ở áp suất khí quyển

II Các số liệu ban đầu:

- Năng suất tính theo hỗn hợp đầu: F = 3,0 (kg/s)

- Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong: + hỗn hợp đầu: aF = 40 (% khối lượng) + sản phẩm đỉnh: aP = 97 (% khối lượng) + sản phẩm đáy: aW = 2 (% khối lượng) - Tháp làm việc ở áp suất thường.

- Hỗn hợp đầu vào tháp ở nhiệt độ sôi

III Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:

1 Phần mở đầu

2 Vẽ và thuyết minh sơ đồ công nghệ (bản vẽ A4) 3 Tính toán kỹ thuật thiết bị chính

V Cán bộ hướng dẫn: TS Nguyễn Thị Thu Huyền

VI Ngày giao nhiệm vụ: ngày 13 tháng 4 năm 2022

Ngày phải hoàn thành: ngày 27 tháng 6 năm 2022Phê duyệt của Bộ môn

Ngày 19 tháng 12 năm 2018

Người hướng dẫn

( Họ tên và chữ ký)

- Nhiệt độ làm việc trung bình của đoạn chưng: ttbC=72,04 (C)

Nội suy dựa vào bảng 4.2.2 có σAceton = 17,1552 (dyn/cm), σBenzen = 22,2552 (dyn/cm)

4.2.2 Tính đường kính đoạn luyện của tháp

- Đường kính đoạn luyện: 0, 0188 ( )

4.2.3 Tính đường kính đoạn chưng của tháp

- Đường kính đoạn chưng: 0, 0188( )

- Tốc độ hơi trung bình đi trong đoạn chưng: ( yy tbC) =2,922 h kg m s( / 2 ) - Lượng hơi trung bình dòng hơi đi trong đoạn chưng:

gtbC =5,905(kg s/ )=21258(kg h/ )

> 1,8(m) (Thỏa mãn giả thiết)

- Giả thiết đưa ra là có thể chấp nhận được Tuy nhiên để thuận tiện cho việc chế tạo, thiết kế nên đường kính đoạn chưng và đoạn luyện sẽ quy chuẩn về giống nhau nếu không sai khác quá 20% dựa vào bảng IX.4a Quan hệ giữa đường kính và khoảng cách giữa các đĩa [2 – 170] Quy chuẩn đường kính của tháp D = DL= DC = 2,1 (m) = 2100 (mm) Khoảng cách giữa các đĩa chóp làm bằng thép h = 0,5 (m) = 500 (mm)

- Tính toán lại vận tốc trung bình dòng hơi đi trong đoạn chưng và đoạn luyện:

❖ Kiểm tra vận tốc hơi trong tháp:

• Khối lượng riêng trung bình của pha khí (hơi) đi trong tháp (kg/m3)

• Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng đi trong tháp (kg/m3)

Trong đó: + xtb: Khối lượng riêng trung bình của lỏng đi trong tháp (kg/m3)

+ xtbA, xtbB: Khối lượng riêng trung bình của Aceton và Benzen của pha lỏng lấy theo nhiệt độ trung bình của tháp (kg/m3)

+ atb: Nồng độ phần khối lượng trung bình của Aceton trong tháp - Nồng độ phần khối lượng trung bình của tháp:

- Nhiệt độ làm việc trung bình của tháp: ttb=67,915 (C)

- Dựa vào bảng số liệu 4.2.1 sử dụng công thức nội suy xác định được:

• Tốc độ khối lượng tối đa cho phép của pha hơi tính theo tiết diện ngang của tháp theo phương pháp Souder-Brown

5max

W=8, 49.10 − C ytb(xtb−ytb)[6 19]− Trong đó: Wmax: tốc độ tối đa cho phép (kg/m2s)

xtb, ytb: khối lượng riêng trung bình của lỏng và hơi (kg/m3)

- Nhiệt độ làm việc trung bình của tháp: ttb=67,915 (C)

Nội suy dựa vào bảng 4.2.2 có σAceton = 17,65 (dyn/cm), σBenzen = 22,75 (dyn/cm)

  − phù hợp tiêu chuẩn thiết kế

4.3 Xác định chiều cao của tháp chưng luyện

Có nhiều phương pháp xác định chiều cao của tháp chưng luyện:

- Phương pháp 1: Theo phương trình chuyển khối Động học của quá trình được biểu diễn qua hệ số chuyển khối, còn động lực được tính theo hiệu số nồng độ (hay gián tiếp qua số đơn vị chuyển khối)

- Phương pháp 2: Theo số bậc thay đổi nồng độ Động học của quá trình được biểu diễn qua hiệu suất của đĩa (tháp đĩa), còn động lực được tính gián tiếp qua số bậc thay đổi nồng độ lí thuyết (số đĩa lí thuyết)

- Phương pháp 3: Theo số đơn vị chuyển khối Động học quá trình được biểu diễn qua số đơn vị chuyển khối tương ứng với một đĩa (tháp đĩa), còn động lực được tính theo số đơn vị chuyển khối chung toàn tháp

Trong đồ án này sử dụng phương pháp số 2 Xác định số đĩa thực tế dựa trên hiệu suất

n là hiệu suất trung bình của thiết bị + 1, 2, , n là hiệu suất của các bậc thay đổi nồng độ + n là số vị trí tính hiệu suất

2.2 Thuyết minh sơ đồ công nghệ - 11 -

PHẦN 3 BẢN KÊ CÁC KÍ HIỆU VÀ ĐẠI LƯỢNG - 12 -

3.1 Các kí hiệu và đại lượng - 12 -

4.1.2.1 Biểu diễn đường cân bằng pha lỏng – hơi - 14 -

4.1.2.2 Xác định chỉ số hồi lưu nhỏ nhất Rmin - 15 -

4.1.2.3 Xác định số đĩa lí thuyết nhỏ nhất NLTmin - 16 -

4.1.2.4 Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp Rth - 17 -

4.1.3 Tính cân bằng vật liệu của đoạn chưng và đoạn luyện để xác định lưu lượng các dòng pha đi trong từng đoạn của tháp - 20 -

4.1.3.1 Giải cân bằng vật liệu toàn tháp chưng luyện - 20 -

4.1.3.2 Tính toán lưu lượng các dòng pha đi trong từng đoạn tháp - 21 -

4.2 Xác định đường kính của tháp chưng luyện - 24 -

4.2.1 Xác định tốc độ làm việc của pha hơi trong đoạn chưng, đoạn luyện - 24 -

4.2.1.1 Khối lượng riêng trung bình - 24 -

4.2.1.2 Tốc độ khí (hơi) trung bình đi trong đoạn luyện của tháp chóp - 27 -

4.2.1.3 Tốc độ hơi trung bình đi trong đoạn chưng của tháp chóp - 27 -

4.2.2 Tính đường kính đoạn luyện của tháp - 28 -

4.2.3 Tính đường kính đoạn chưng của tháp - 28 -

4.3 Xác định chiều cao của tháp chưng luyện - 29 -

4.3.1 Xác định số đĩa lí thuyết dựa vào đồ thị Mc Cabe – Thiesel - 30 -

4.3.2 Xác định số đĩa thực tế dựa trên hiệu suất trung bình - 31 -

4.3.3 Chiều cao của tháp chưng luyện - 33 -

4.4 Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện 33

4.4.1 Cân bằng nhiệt lượng của hỗn thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu 33

4.4.1.1 Nhiệt lượng hơi đốt mang vào 34

4.4.1.2 Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào 34

4.4.1.3 Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra 35

4.4.1.4 Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra 35

4.4.1.5 Nhiệt lượng do môi trường xung quanh lấy 35

4.4.2 Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện 36

4.4.2.1 Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào 36

4.4.2.2 Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào đáy tháp 37

4.4.2.3 Nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào 37

4.4.2.4 Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp 38

4.4.2.5 Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra 38

4.4.2.6 Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra 39

4.4.2.7 Nhiệt lượng do môi trường xung quanh lấy 39

-4.4.3 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ - 39 -

4.4.4 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh 40

4.5.1.4 Ống dẫn hồi lưu lỏng từ thiết bị ngưng tụ về tháp 44

4.5.1.5 Ống dẫn hồi lưu hơi ở đáy tháp 44

-4.5.2 Tính chiều dày thành tháp, đáy tháp và nắp tháp - 45 -

4.5.2.1 Tính chiều dày thân tháp - 45 -

4.5.2.2 Tính đáy và nắp thiết bị - 48 -

4.5.3 Chọn bích nối giữa thân tháp với đáy và nắp tháp, với các ống nối - 51 -

4.5.3.1 Chọn bích nối giữa thân tháp với đáy và nắp tháp - 51 -

4.5.3.2 Chọn bích nối giữa thân tháp với các ống dẫn - 52 -

4.5.3.3 Lắp kính quan sát - 54 -

4.5.4 Tính và chọn (tra cứu) kết cấu đĩa chóp - 54 -

4.5.4.1 Tính, chọn các thông số của chóp - 54 -

4.5.4.2 Tra cứu, tính chọn các đặc trưng kĩ thuật của đĩa chóp - 58 -

4.5.5 Tính và chọn các cơ cấu đỡ tháp (trụ đỡ, chân đỡ, tai treo ) - 59 -

4.5.5.1 Tính tải trọng của tháp khi làm việc - 59 -

4.5.5.2 Tính chiều dày của trụ đỡ - 65 -

4.5.5.3 Vòng chịu tải ở đáy trụ đỡ và các bu-lông định vị - 66 -

4.6 Tính trở lực của tháp chưng luyện - 68 -

4.6.1 Trở lực của đĩa khô ΔPk: - 68 -

4.6.1.1 Trở lực của đĩa khô trên đoạn luyện - 69 -

4.6.1.2 Trở lực của đĩa khô trên đoạn chưng - 69 -

4.6.2 Trở lực do lớp chất lỏng không chứa khí trên đĩa tạo ra ΔPL: - 69 -

4.6.2.1 Trở lực do lớp chất lỏng không chứa khí trên đĩa đoạn luyện - 70 -

4.6.2.2 Trở lực do lớp chất lỏng không chứa khí trên đĩa đoạn chưng - 71 -

4.6.3 Trở lực tổng cộng của tháp chưng luyện - 71 -

4.6.4 Tính, kiểm tra tải trọng của ngưỡng chảy tràn - 72 -

4.6.5 Tính, kiểm tra hoạt động của kênh chảy truyền chất lỏng - 72 -

PHẦN 5 TÍNH TOÁN, LỰA CHỌN CÁC THIẾT BỊ PHỤ TRỢ - 73 -

5.1 Tính toán thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu - 73 -

5.1.1 Tính lượng nhiệt trao đổi - 74 -

5.1.1.1 Xác định động lực quá trình truyền nhiệt - 74 -

5.1.1.2 Lượng nhiệt trao đổi - 74 -

5.1.2 Xác định hệ số truyền nhiệt K - 74 -

5.1.2.1 Xác định hệ số cấp nhiệt α2 - 75 -

5.1.2.2 Xác định tổng trở nhiệt của thành ống Σr - 78 -

5.1.2.3 Xác định hệ số cấp nhiệt của hơi nước bão hòa α1 - 78 -

5.1.2.4 Xác định hệ số truyền nhiệt K - 79 -

5.1.3 Xác định diện tích bề mặt truyền nhiệt 79

-5.1.4 Xác định số ống, cách sắp xếp ống trong thiết bị trao đổi nhiệt - 79 -

5.1.5 Đường kính trong của thiết bị - 80 -

5.1.6 Tính lại vận tốc và chia ngăn trong thiết bị - 80 -

5.2.1.4 Áp suất để khắc phục áp suất thủy tĩnh 85

-5.2.1.5 Áp suất để khắc phục trở lực trong thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu - 85 - 5.2.1.6 Áp suất toàn phần - 86 -

5.2.2 Tính toán các thông số của bơm li tâm 86

-5.3 Tính toán thiết bị ngưng tụ hồi lưu - 88 -

5.3.1 Tính lƣợng nhiệt trao đổi - 89 -

5.3.1.1 Xác định động lực quá trình truyền nhiệt - 89 -

5.3.1.2 Lượng nhiệt trao đổi - 89 -

5.3.3 Xác định diện tích bề mặt truyền nhiệt 94

-5.3.4 Xác định số ống, cách sắp xếp ống trong thiết bị trao đổi nhiệt - 94 -

5.3.5 Đường kính trong của thiết bị 94

-5.3.6 Tính lại vận tốc và chia ngăn trong thiết bị - 94 -

PHẦN 6 KẾT LUẬN - 96 -

PHẦN 7 PHỤ LỤC - 97 -

PHẦN 8 TÀI LIỆU THAM KHẢO - 99 -

PHẦN 1 MỞ ĐẦU

TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM ACETON VÀ BENZEN 1 ACETON:

Aceton (CH3COCH3) là tên gọi thông thường của propanol Đây là loại hợp chất cacboxyl, vì vậy là hợp chất phân cực Nó là chất lỏng sôi ở ts= 56,1C, nhiệt độ này cao hơn chất không phân cực có cùng trọng lượng nhưng lại thấp hơn ancol và axit tương ứng Aceton tan vô hạn trong nước, là dung môi cho nhiều chất hữu cơ.

Về mặt hóa học tương tự như andehit, axeton tham gia phản ứng cộng nucleophile vào nhóm cacbonyl nhưng khác ở chỗ không bị oxi hóa bởi dung dịch AgNO3 (không tráng gương) và Cu(OH)2, nhưng có thể bị oxi hóa khi có mặt các chất oxi hóa mạnh làm bẻ gãy mạch 2 bên của nhóm -CO- để chuyển thành hai axit.

Về ứng dụng: Aceton là dung môi hoà tan nhiều hợp chất hữu cơ như: tơ axetat, nitro xenlulo, nhựa fomandehit, chất béo, dung môi pha sơn, mực in ống đồng Nó là nguyên liệu để sản xuất thuỷ tinh hữu cơ và có thể tổng hợp xeten sunfonat

2 BENZEN:

Benzen là hợp chất vòng thơm, đó là một chất lỏng không màu, có mùi thơm đặc trưng, nhẹ hơn nước, tan nhiều trong các dung môi hữu cơ đồng thời là một dung môi tốt cho nhiều chất như Iod (I2), lưu huỳnh (S), chất béo…, ts= 80,1C ở 1 at, đông đặc ở tđ=5,5C, tỷ khối d204 = 0,879

Về mặt hóa học, Benzen là một hợp chất vòng bền vững, tương đối dễ tham gia phản

ứng thế, khó tham gia các phản ứng cộng, oxi hóa Đặc tính hóa học này gọi là tính thơm

Về ứng dụng: dùng điều chế nitro benzen, anilin, tổng hợp phẩm nhuộm, dược phẩm , Clobenzen là dung môi tổng hợp DDT, hexacloaran (thuốc trừ sâu), Stiren (monome để tổng hợp chất dẻo) và nhiều sản phẩm quan trọng khác Benzen còn được dùng làm dung môi hữu cơ

Nguồn cung cấp Benzen cho công nghiệp là nhựa chưng cất, than đá, hexan và toluen của dầu mỏ Khi nung than béo ở nhiệt độ cao để luyện than cốc được nhựa than đá

Trong nhựa than đá có chứa rất nhiều các chất hữu cơ khác nhau khi chưng cất phân đoạn thu được Benzen

Cả Aceton và Benzen đều đóng vai trò quan trọng trong công nghiệp hóa học

TỔNG QUAN VỀ ĐỒ ÁN

Đồ án này nhằm giúp sinh viên biết vận dụng các kiến thức của môn học “Quá trình và thiết bị công nghệ hóa học” và các môn học khác vào việc tính toán và thiết kế thiết bị chính và một số thiết bị phụ trong hệ thống Các kĩ năng sử dụng tài liệu tham khảo (tìm, đọc, tra cứu, ghi chép, sắp xếp ), cùng các kĩ năng tính toán trình bày kết quả, vận dụng các quy định để hoàn thiện bản vẽ kĩ thuật cũng được trau dồi Từ đó giúp sinh viên nhìn nhận các vấn đề nói chung một cách có hệ thống và đặc biệt hiểu sâu sắc hơn các nội dung trình bày trong đồ án để bổ sung các kiến thức, cải thiện các kĩ năng phục vụ cho công việc của một kỹ sư tương lai

Nhiệm vụ của đồ án là tính toán và thiết kế tháp chưng luyện loại đĩa chóp làm việc liên tục ở áp suất khí quyển tách hỗn hợp gồm hai cấu tử Aceton - Benzen với các yêu cầu: năng suất thiết bị tính theo hỗn hợp đầu: F= 3,0 (kg/s); nồng độ tính theo cấu tử dễ bay hơi trong: hỗn hợp đầu aF = 40 (% khối lượng), sản phẩm đỉnh aP = 97 (% khối lượng); sản phẩm đáy aW = 2 (% khối lượng)

Chưng cất là phương pháp dùng để tách các hỗn hợp lỏng cũng như các hỗn hợp khí – lỏng thành các cấu tử riêng biệt, dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp Hỗn hợp này có bao nhiêu cấu tử ta sẽ thu được bấy nhiêu sản phẩm Có nhiều biện pháp chưng cất khác nhau như chưng cất gián đoạn, chưng cất liên tục, chưng cất đơn giản, chưng cất đặc biệt Trong đó, chưng luyện là phương pháp chưng phổ biến nhất đang được ứng dụng rộng rãi trong thực tế và đem lại hiệu quả kinh tế cao Phương pháp chưng luyện này là một quá trình mà trong đó hỗn hợp được bốc hơi một phần và ngưng tụ một phần nhiều lần Quá trình chưng luyện được thực hiện trong các tháp chưng luyện, có nhiều loại tháp chưng luyện như tháp chóp, tháp đĩa lỗ không có ống chảy truyền, tháp đĩa lỗ có kênh chảy truyền, tháp đệm với áp suất làm việc của thiết bị cũng có thể là áp suất cao, áp suất thường, áp suất thấp Do thiết bị rất đa dạng như vậy nên yêu cầu lựa chọn, thiết kế loại tháp phù hợp với các yêu cầu kĩ thuật, cũng như đảm bảo tính kinh kế là cần thiết

Tháp chưng luyện loại đĩa chóp thuộc loại chéo dòng, lâu đời và truyền thống Hơi sẽ đi trong tháp từ dưới lên qua ống hơi, đi vào không gian giữa ống hơi và chóp, sau đó đi qua các rãnh chóp rồi sục vào lớp chất lỏng ở trên đĩa Do Aceton dễ bay hơi hơn Benzen nên khi chưng luyện ta sẽ thu được sản phẩm đỉnh giàu Aceton và sản phẩm đáy giàu Benzen hơn Đặc điểm nổi bật nhất của đĩa loại chóp là do có lắp các ống hơi nên mức chất lỏng ở trên đĩa được giữ ổn định tại tất cả các vận tốc của khí (hơi) khác nhau Do đó ưu điểm của tháp chóp là hiệu suất truyền khối khá cao, ổn định, ít tiêu tốn năng lượng Tuy nhiên do cấu tạo phức tạp của chóp mà việc chế tạo phức tạp, tốn vật liệu chế tạo và trở lực của tháp lớn

Theo “Sổ tay quá trình thiết bị trong Công nghiệp hóa học, tập 2” [2], bảng XII.47 trang 350 và bảng XII.50 trang 351, thép CT3 đảm bảo các yêu cầu kĩ thuật để chế tạo tháp chưng luyện tách hỗn hợp Aceton - Benzen (để đảm bảo độ bền, có thể quét thêm một lớp sơn chống gỉ bên ngoài với điều kiện không khí ẩm như ở Việt Nam) Tuy nhiên trong đồ án vật liệu được chọn để chế tạo tháp là thép X18H10T do đảm bảo cả các yêu cầu về kĩ thuật, tính thẩm mĩ, tính kinh tế, đảm bảo thời gian sử dụng lâu dài

Đồ án được hoàn thành với các phần chính:

❖ Phần 1: Mở đầu: Giới thiệu tóm tắt sản phẩm, mục đích đề tài, phương pháp công nghệ được giao thiết kế, tính chất sản phẩm và ứng dụng

❖ Phần 2: Sơ đồ, mô tả dây chuyền công nghệ

❖ Phần 3: Phương pháp và các kết quả tính thiết bị chính với các nội dung chính: Tính cân bằng vật liệu, xác định các thông số của tháp (đường kính, chiều cao, trở lực, ), tính cân bằng nhiệt lượng, tính toán cơ khí

❖ Phần 4: Tính toán các thiết bị phụ: thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu, bơm, thiết bị ngưng tụ hồi lưu sản phẩm đỉnh

PHẦN 2: SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ 2.1 Sơ đồ công nghệ, chú thích

1- Tháp chưng luyện

2- Thiết bị ngưng tụ hồi lưu sản phẩm đỉnh 3- Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu

4- Thiết bị gia nhiệt ở đáy tháp

12- Thiết bị tháo nước ngưng sau thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 13- Thiết bị tháo nước ngưng sau thiết bị gia nhiệt ở đáy tháp 14- Lưu lượng kế đo lưu lượng hỗn hợp đầu

15- Cơ cấu hồi lưu sản phẩm đỉnh 16- Cơ cấu hồi lưu sản phẩm đáy

2.2 Thuyết minh sơ đồ công nghệ

Dung dịch đầu từ thùng chứa hỗn hợp đầu 7 được bơm 10 bơm liên tục đưa vào thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 3 qua van và lưu lượng kế 14 Bơm 11 được lắp song song dùng để dự phòng khi bơm 10 bị hỏng Tại thiết bị gia nhiệt 3, dung dịch được đun sôi đến nhiệt độ sôi tF thì được đưa vào tháp chưng luyện 1 tại vị trí đĩa tiếp liệu

Trong tháp chưng luyện 1, hơi đi từ dưới lên gặp chất lỏng đi từ trên xuống, nồng độ các cấu tử thay đổi theo chiều cao tháp, nhiệt độ sôi cũng thay đổi tương ứng Cụ thể trên 1 đĩa chóp của tháp có nồng độ cấu tử dễ bay hơi x1, bốc hơi lên có nồng độ y1, trong đó y1 > x1 Hơi này qua ống dẫn hơi đi lên phía trên, qua khe chóp, sục vào (tiếp xúc pha) với lỏng trên đó Nhiệt độ của lỏng trên đĩa 2 thấp hơi đĩa 1, nên một phần hơi được ngưng tụ lại, nên nồng độ cấu tử dễ bay hơi trên đĩa này là x2 > x1 Hơi bốc lên từ đĩa 2 có nồng độ cấu tử dễ bay hơi y2 > x1, đi lên đĩa 3, nhiệt độ lỏng đĩa 3 thấp hơn đĩa 2 nên hơi được ngưng tụ một phần và lỏng trên đĩa 3 có nồng độ x3 > x2 Trên mỗi đĩa xảy ra quá trình truyền chất giữa pha lỏng và pha hơi, qua trình bốc hơi và ngưng tụ được lặp lại nhiều lần, cuối cùng đỉnh tháp thu được sản phẩm dễ bay hơi có nồng độ cao, đáy tháp thu được sản phẩm khó bay hơi nồng độ cao

Lỏng dưới đáy qua cơ cấu hồi lưu đáy tháp 16, một phần sẽ được đưa ra khỏi thiết bị, làm lạnh ở thiết bị làm lạnh 6, khi đạt nhiệt độ cần thiết thì đưa vào thùng chứa sản phẩm đáy 9 và một phần sản phẩm đáy sẽ qua thiết bị gia nhiệt đáy tháp 4 để hồi lưu trở về tháp Hơi ở trên đỉnh tháp đi vào thiết bị ngưng tụ 2 và được ngưng tụ lại Qua cơ cấu hồi lưu 15, một phần chất lỏng hồi lưu về tháp ở đĩa trên cùng và một phần khác đi qua thiết bị làm lạnh 5 để làm lạnh đến nhiệt độ cần thiết rồi đi vào thùng chứa sản phẩm đỉnh 8 Đối với thiết bị làm việc liên tục thì hỗn hợp đầu được đưa vào liên tục và sản phẩm cũng được tháo ra liên tục

PHẦN 3 BẢN KÊ CÁC KÍ HIỆU VÀ ĐẠI LƯỢNG 3.1 Các kí hiệu và đại lượng

x Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng phần mol y Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi phần mol y* Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi

cân bằng với pha lỏng

phần mol

r Ẩn nhiệt hóa hơi, ẩn nhiệt ngưng tụ kcal/kmol

λ Hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng) J/kg

3.2 Các chỉ số dưới

Kí hiệu Tên gọi

Aceton Cấu tử dễ bay hơi hơn Benzen Cấu tử khó bay hơi hơn

A Của (thuộc về) Aceton, cấu tử dễ bay hơi hơn B Của (thuộc về) Benzen, cấu tử khó bay hơi hơn max Giá trị cực đại

bh Hơi nước bão hòa

Các đại lượng, kí hiệu khác hoặc bị trùng sẽ được kí hiệu riêng ở từng phần

PHẦN 4 TÍNH TOÁN KỸ THUẬT THIẾT BỊ CHÍNH

4.1.2.1 Biểu diễn đường cân bằng pha lỏng – hơi

Bảng thành phần cân bằng pha lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi hỗn hợp hai cấu tử ở 760 mmHg (% mol) [2 – 145, Bảng IX.2a.]

Hệ hai cấu tử Aceton - Benzen trên đường cân bằng pha lỏng hơi không có điểm đẳng phí Nên chỉ cần sử dụng riêng phương pháp chưng luyện cũng có thể tách thu được 2 cấu tử tinh khiết riêng biệt

Từ đồ thị cân bằng pha, ta nội suy được yF*= 0,639 phần mol

Dựa vào bảng 4.1.1 xác định được nhiệt độ sôi của hỗn hợp đầu xF = 47,3 %mol, hỗn hợp sản phẩm đỉnh xP = 97,8 %mol, hỗn hợp sản phẩm đáy xW = 2,7 %mol lần lượt là: tF=64,95C; tP=56,70C; tW=79,13C

Sử dụng công thức nội suy tuyến tính, ta cũng có thể xác định được nhiệt độ sôi hỗn hợp 2 cấu tử trong:

4.1.2.2 Xác định chỉ số hồi lưu tối thiếu Rmin

a Những giả thiết của Mc Cabe và Thiele [5 – 74]

- Lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp được ngưng tụ hoàn toàn Vì vậy trên đường làm việc của đoạn luyện có một điểm xP = yD - Chấp nhận quy tắc của Trouton, tức r/Ts = 21 kcal/kmolK = const

Với nhiệt hóa hơi r không đổi có thể xác định nhiệt độ sôi

- Bỏ qua sự khác biệt về nhiệt độ sôi của các thành phần coi dòng mol trên đoạn chưng và đoạn luyện không đổi

- Để có dòng mol không đổi và đường làm việc là đường thẳng cần chấp nhận, tháp chưng luyện làm việc đoạn nhiệt, tức sẽ không có sự lấy và cấp nhiệt với môi trường

- Đường làm việc của đoạn chưng đi qua điểm xW = yW

b Phương trình đường nồng độ làm việc

❖ Phương trình đường làm việc của đoạn luyện

c Xác định chỉ số hồi lưu nhỏ nhất Rmin

Trong trường hợp này, đường làm việc cắt đường cân bằng pha nên ta có thể xác định được chỉ số hồi lưu tối thiểu Rmin bằng công thức:

4.1.2.3 Xác định số đĩa lí thuyết nhỏ nhất NLTmin

a Xác định NLTmin ở chế độ hồi lưu hoàn toàn bằng phương pháp đồ thị (Đồ thị được vẽ ở trang sau):

Khi chỉ số hồi lưu R→ ∞ (chế độ hồi lưu hoàn toàn) đường làm việc của tháp chưng luyện liên tục sẽ trùng với đường chéo của hình vuông (y=x) trên đồ thị Mc Cabe- Thiele và số đĩa lí thuyết NLT của tháp sẽ là nhỏ nhất Dựng đồ thị y – x (đồ thị Mc Cabe – Thiele) Từ điểm có tọa độ (xP;yP) vẽ đường thẳng song song với trục hoành cắt đường cân bằng pha tại 1 điểm; rồi từ giao điểm đó vẽ đường thẳng song song với trục tung gặp đường làm việc (y=x) ở một điểm khác Cứ tiếp tục dựng các đường song song cho tới khi đến điểm (xW;yW) (tức là x<xW) thì dừng lại Đếm số tam giác giữa đường cân bằng pha và đường làm việc (y=x) Số tam giác có giá trị chính bằng số đĩa lí thuyết nhỏ nhất NLTmin cần tìm Dựng như trong đồ thị hình 4.1.2 xác định được số đĩa lí thuyết nhỏ

Đối với hỗn hợp lí tưởng thì α = const không phụ thuộc vào nồng độ Còn với các hỗn hợp khác lí tưởng như trường hợp Aceton-Benzen đang xét thì α là giá trị

Trong đó αi (i = 1 ÷ k) là các giá trị tương ứng với các giá trị xi khác nhau Do đó áp dụng công thức tính α ta xây dựng được bảng số liệu các giá trị αi tương ứng với các giá trị xi như sau:

x (phần mol) 0,05 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 y* (phần mol) 0,14 0,243 0,4 0,512 0,594 0,655 0,73 0,795 0,863 0,932

αi 3,093 2,889 2,667 2,448 2,195 1,899 1,802 1,662 1,575 1,523

Bảng 4.1.2 Bảng giá trị các αi tương ứng với các giá trị xi

Hệ số bay hơi tương đối α = (α1 α2 α10)1/10 = 2,11

Áp dụng công thức Fenske với xP=0,978 (phần mol); xW=0,027 (phần mol);

Ta chọn trường hợp a xác định NLTmin = 12 (đĩa) theo phương pháp đồ thị Mc Cabe – Thiele để tính toán

4.1.2.4 Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp Rth

Chỉ số hồi lưu R có ảnh hưởng trực tiếp đến vị trí tương đối của đường làm việc so với đường cân bằng pha trên đồ thị y-x (Mc Cabe-Thiele) vì góc nghiêng đường làm việc của đoạn luyện tan α = R/(R+1)nên sẽ ảnh hưởng đến số đĩa lí thuyết NLT và chiều cao H của tháp Mặt khác chỉ số hồi lưu cũng liên quan trực tiếp tới lượng nhiêt Q cần cấp cho thiết bị đun bay hơi ở dưới đáy tháp: Q ~ G = P(R+1) Ở đây: G – lưu lượng dòng hơi đi trong tháp; P – lưu lượng dòng sản phẩm đỉnh

Như vậy chỉ số hồi lưu R có ảnh hưởng trái chiều đến chiều cao của tháp (khi R tăng, chiều cao H giảm, kinh phí chế tao tháp giảm) và ảnh hưởng xuôi chiều đến lượng nhiệt tiêu tốn Q (khi R tăng, lượng nhiệt Q tăng, chi phí vận hành tăng) Vì vậy để tháp chưng cất làm viêc đạt được hiệu quả kinh tế cao cần xác định được chỉ số hồi lưu thích hợp Rth Chỉ số hồi lưu Rth có thể xác định theo 2 tiêu chí là: chiều cao H của tháp và thể tích VT của tháp Tùy theo yêu cầu mức độ chính xác, trong tính toán công nghiệp thường tính gần đúng chỉ số hồi lưu làm việc bằng: Rx = (1,2 ÷ 2,5).Rmin [2 – 158 – IX.25a] hay Rx = 1,3.Rmin + 0,3 [2 – 159 – IX.25b] Do Rmin = 2,04 nên chỉ số hồi lưu làm việc sẽ trong khoảng Rx = 2,45 ÷ 5,1 hoặc Rx = 2,952

❖ Ở đồ án này sẽ lựa chọn cách xác định chỉ số hồi lưu thích hợp Rth tiêu chí VT của tháp, sử dụng quan hệ thực nghiệm Gilliland dựa trên phương trình Molokanov:

❖ Trạng thái nhiệt động của hỗn hợp đầu [4 – 105]:

- Từ bảng số liệu I.153 [1–171] sử dụng công thức nội suy tìm giá trị nhiệt dung riêng của Aceton và Benzen ở nhiệt độ đầu tF=64,95C là

CAceton=2321,1 (J/kg.độ); CBenzen=1956 (J/kg.độ) Nhiệt dụng riêng của hỗn hợp đầu là: CF = aF.CAceton + (1 – aF).CBenzen Thay số ta có:

CF = 0,4.2321,1 + (1 – 0,4).1956 = 2102,04 (J/kg.độ)

- Từ bảng số liệu I.212 [1–254] sử dụng công thức nội suy tìm ẩn nhiệt hóa hơi của Aceton và Benzen ở nhiệt độ đầu tF=64,95C là rAceton = 122,64 (kcal/kg); rBenzen = 96,63 (kcal/kg) Ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp

đầu là: rF = aF.rAceton + (1–aF).rBenzen Thay số ta có: rF = 0,4.122,64 + (1– 0,4).96,63 = 107,03 (kcal/kg) = 448371,15 (J/kg)

- Giả sử cần gia nhiệt làm bay hơi hỗn hợp đầu từ 200C thì nhiệt lượng cần thiết để làm bay hơi 1 kg hỗn hợp là:

- Thông số Caloric của hỗn hợp đầu q=0,28-1,42 (1,21) - Áp suất từ chân không đến 400 bar (760 mmHg) - Hệ số bay hơi tương đối α = 1,11-4,05 (2,11) - Chỉ số hồi lưu nhỏ nhất Rmin = 0,53-9,09 (2,04) - Số đĩa lí thuyết nhỏ nhất NLTmin = 3,4-60,3 (12 đĩa)

Vậy thỏa mãn các điều kiện áp dụng phương trình Molokanov nên sẽ có bảng số liệu 4.1.3

Bảng 4.1.3 Bảng số liệu quan hệ NLT=f(R), V=NLT(R+1)

❖ Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp Rth theo tiêu chí thể tích VT của tháp Đối với các tháp chuyển khối, kinh phí chế tạo tháp thông thường tỷ lệ thuận với thể tích của tháp VT ~ V = NLT(R + 1) nên để tìm được chỉ số hồi lưu thích hợp cần phải xây dựng được quan hệ V = NLT(R + 1) = f(R) Quan hệ này cũng sẽ xây dựng được bằng cách sử dụng đồ thị x – y của Mc Cabe hoặc sử dụng phương trình của Molokanov

Sử dụng phương trình Molokanov có bảng số liệu 4.1.3 và dựng được đồ thị quan hệ V=NLT(R+1) như hình 4.1.3 tại trang sau

Từ đồ thị hình 4.1.3 cho thấy nếu chọn thể tích của tháp làm tiêu chí tối ưu thì chỉ số hồi lưu thích hợp Rth = 3,1 ứng với NLT = 21,1 đĩa

4.1.3 Tính cân bằng vật liệu của đoạn chưng và đoạn luyện để xác định lưu lượng các dòng pha đi trong từng đoạn của tháp

4.1.3.1 Giải cân bằng vật liệu toàn tháp chưng luyện Phương trình CBVL cho toàn tháp: F=P+W

a Tính theo lưu lượng mol (kmol/s)

❖ Khối lượng mol trung bình của hỗn hợp:

- Khối lượng mol trung bình của hỗn hợp đầu:

MF = MAceton.xF + (1-xF).MBenzen = 0,473.58+(1-0,473).78 = 68,54 (kg/kmol) - Khối lượng mol trung bình của hỗn hợp sản phẩm đỉnh:

MP = MAceton.xP + (1-xP).MBenzen = 0,978.58+(1-0,978).78 = 58,44 (kg/kmol) - Khối lượng mol trung bình của hỗn hợp sản phẩm đáy:

MW = MAceton.xW + (1-xW).MBenzen = 0,027.58+(1-0,027).78 = 77,46 (kg/kmol) ❖ Lưu lượng mol của hỗn hợp:

- Lưu lượng mol trung bình của hỗn hợp đầu: 3 0, 044

Như vậy ta có bảng số liệu:

ts (C) a (phần KL) x (phần mol) Lưu lượng khối lượng

- Phương trình đường nồng độ làm việc đoạn luyện là: y = 0,756x+0,239 - Phương trình đường nồng độ làm việc đoạn chưng là: y = 1,366x-0,01

4.1.3.2 Tính toán lưu lượng các dòng pha đi trong từng đoạn tháp

Đối với tháp chưng luyện loại đĩa do ẩn nhiệt hóa hơi của các cấu tử trong hỗn hợp cần tách khác nhau cho nên lượng hơi sẽ khác nhau ở các tiết diện khác nhau của tháp Để tính lượng hơi này cần giải kết hợp các phương trình cần bằng vật liệu và cân bằng nhiệt

Trong đó: + gtbL: lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện (kg/h) + gd: lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (kg/h)

+ gL: lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện (kg/h) ❖ Tính lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp:

❖ Cân bằng vật liệu riêng phần cho cấu tử dễ bay hơi từ đĩa tiếp liệu đến đỉnh tháp gL.yL = GL.xL + GP.xP [2 – 182 – IX.94]

Trong đó: + yL: phần mol của cấu tử phân bố (Aceton) trong pha hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện

+ xL=xF=0,473: nồng độ phần mol của Aceton trong pha lỏng ở

Trong đó: + rL: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện + rd: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi ra khỏi đỉnh tháp

- Hỗn hợp đầu: tF=64,95C  rA(F)=122,64 (kcal/kg), rB(F)=96,63 (kcal/kg) - Sản phẩm đỉnh: tP=56,7C  rA(P)=124,66 (kcal/kg), rB(P)=98,04 (kcal/kg) - Sản phẩm đáy: tW=79,13C  rA(W)=118,74 (kcal/kg), rB(W)=94,15 (kcal/kg) Tính ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện r1:

rL=rA(F).yL+(1-yL).rB(F) = 122,64.yL+(1-yL).96,63 = 26,01yL+96,63 (kcal/kg) Tính ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi ra khỏi đỉnh tháp rd:

rd=rA(P).yd+(1-yP).rB(P) = 124,66.yP+(1-yP).98,04 = 26,62yP+98,04 yP=xP=0,978 (phẩn mol)  rd = 124,07 (kcal/kg)

Trong đó: + gtbC: Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng (kg/h) + gn’: lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của đoạn chưng (kg/h) + gC: lượng hơi đi vào đoạn chưng (kg/h)

+ gL: lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện (kg/h)

❖ Lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đoạn luyện: gn’=gL=5,459 (kg/s)

❖ Cân bằng vật liệu cho đĩa thứ nhất của đoạn chưng:

Lượng lỏng đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng: GL’=gC+GW [2 – 182 – IX.98] ❖ Cân bằng vật liệu riêng phần cho cấu tử dễ bay hơi tại đĩa thứ nhất của đoạn

chưng: GL’.xC = gC.yW + GW.xW [2 – 182 – IX.99]

Trong đó: + xC: là phần mol của cấu tử dễ bay hơi (Aceton) trong pha lỏng tại đĩa thứ nhất của đoạn chưng

+ yW: là nồng độ phần mol của Aceton trong pha hơi ở sản phẩm đáy + xW : là nồng độ phần mol của Aceton trong pha lỏng ở sản phẩm đáy ❖ Phương trình cân bằng nhiệt lượng toàn phần từ đĩa tiếp liệu đến đáy tháp:

gC.rC = gn’.rn’=gL.rL [2 – 182 – IX.100]

Trong đó: + rC: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng + rn’: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa trên cùng của đoạn chưng

Ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa trên cùng của đoạn chưng rn’ chính bằng ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện rL

4.2 Xác định đường kính của tháp chưng luyện

4.2.1 Xác định tốc độ làm việc của pha hơi trong đoạn chưng, đoạn luyện 4.2.1.1 Khối lượng riêng trung bình

a Khối lượng riêng trung bình của pha khí (hơi) đi trong đoạn luyện (kg/m3)

- Nhiệt độ làm việc trung bình của đoạn luyện:

Trong đó: + xtbL: Khối lượng riêng trung bình của lỏng đi trong đoạn luyện (kg/m3) + xtbA, xtbB: Khối lượng riêng trung bình của Aceton và Benzen của pha lỏng lấy theo nhiệt độ trung bình của đoạn luyện (kg/m3)

+ atbL: Nồng độ phần khối lượng trung bình của Aceton trong đoạn luyện - Nồng độ phần khối lượng trung bình của đoạn luyện:

- Nhiệt độ làm việc trung bình của đoạn luyện: ttbL=60,825 (C)

- Dựa vào bảng số liệu 4.2.1 sử dụng công thức nội suy xác định được:

c Khối lượng riêng trung bình của pha khí (hơi) đi trong đoạn chưng (kg/m3)

Trong đó: + xtbC: Khối lượng riêng trung bình của lỏng đi trong đoạn chưng (kg/m3) + xtbA, xtbB: Khối lượng riêng trung bình của Aceton và Benzen của pha lỏng lấy theo nhiệt độ trung bình của đoạn chưng (kg/m3)

+ atbC: Nồng độ phần khối lượng trung bình của Aceton trong đoạn chưng - Nồng độ phần khối lượng trung bình của đoạn chưng:

- Nhiệt độ làm việc trung bình của đoạn chưng: ttbC=72,04 (C)

- Dựa vào bảng số liệu 4.2.1 sử dụng công thức nội suy xác định được:

4.2.1.2 Tốc độ khí (hơi) trung bình đi trong đoạn luyện của tháp chóp

- Khi tính toán đường kính cần biết trước tốc độ khí đi trong tháp Tốc độ khí phụ thuộc vào cấu tạo tháp, chế độ làm việc, khối lượng riêng, mật độ tưới Công thức tính tốc độ khí (hơi) trung bình đi trong đoạn luyện của tháp chóp

- Nhiệt độ làm việc trung bình của đoạn luyện: ttbL=60,825 (C)

Nội suy dựa vào bảng 4.2.2 có σAceton = 18,501 (dyn/cm), σBenzen = 23,601 (dyn/cm)

4.2.1.3 Tốc độ hơi trung bình đi trong đoạn chưng của tháp chóp

Công thức tính tốc độ khí (hơi) trung bình đi trong đoạn chưng của tháp chóp

- Nhiệt độ làm việc trung bình của đoạn chưng: ttbC=72,04 (C)

Nội suy dựa vào bảng 4.2.2 có σAceton = 17,1552 (dyn/cm), σBenzen = 22,2552 (dyn/cm)

4.2.2 Tính đường kính đoạn luyện của tháp

- Đường kính đoạn luyện: 0, 0188( )

- Tốc độ hơi trung bình đi trong đoạn luyện: ( yy tbL) =2,179 h (kg m s/ 2 )

- Lượng hơi trung bình dòng hơi đi trong đoạn luyện: gtbL =5,19(kg s/ ) 18684(=kg h/ )

4.2.3 Tính đường kính đoạn chưng của tháp

- Đường kính đoạn chưng: 0, 0188 ( )

- Tốc độ hơi trung bình đi trong đoạn chưng: ( yy tbC) =2,922 h kg m s( / 2 ) - Lượng hơi trung bình dòng hơi đi trong đoạn chưng:

gtbC =5,905(kg s/ ) 21258(=kg h/ )

- Giả thiết đường kính đoạn chưng DC > 1,8m Chọn h=0,5m Do đó:

> 1,8(m) (Thỏa mãn giả thiết)

- Giả thiết đưa ra là có thể chấp nhận được Tuy nhiên để thuận tiện cho việc chế tạo, thiết kế nên đường kính đoạn chưng và đoạn luyện sẽ quy chuẩn về giống nhau nếu không sai khác quá 20% dựa vào bảng IX.4a Quan hệ giữa đường kính và khoảng cách giữa các đĩa [2 – 170] Quy chuẩn đường kính của tháp D = DL= DC = 2,1 (m) = 2100 (mm) Khoảng cách giữa các đĩa chóp làm bằng thép h = 0,5 (m) = 500 (mm)

- Tính toán lại vận tốc trung bình dòng hơi đi trong đoạn chưng và đoạn luyện:

4.3 Xác định chiều cao của tháp chưng luyện

Có nhiều phương pháp xác định chiều cao của tháp chưng luyện:

- Phương pháp 1: Theo phương trình chuyển khối Động học của quá trình được biểu diễn qua hệ số chuyển khối, còn động lực được tính theo hiệu số nồng độ (hay gián tiếp qua số đơn vị chuyển khối)

- Phương pháp 2: Theo số bậc thay đổi nồng độ Động học của quá trình được biểu diễn qua hiệu suất của đĩa (tháp đĩa), còn động lực được tính gián tiếp qua số bậc thay đổi nồng độ lí thuyết (số đĩa lí thuyết)

- Phương pháp 3: Theo số đơn vị chuyển khối Động học quá trình được biểu diễn qua số đơn vị chuyển khối tương ứng với một đĩa (tháp đĩa), còn động lực được tính theo số đơn vị chuyển khối chung toàn tháp

Trong đồ án này sử dụng phương pháp số 2 Xác định số đĩa thực tế dựa trên hiệu suất

n là hiệu suất trung bình của thiết bị + 1, 2, , n là hiệu suất của các bậc thay đổi nồng độ + n là số vị trí tính hiệu suất

- tb = f(α,μ) là một hàm số của độ bay hơi tương đối của hỗn hợp và độ nhớt của hỗn Trong đó: + μ1, μ2 là độ nhớt động lực của các cấu tử thành phần + x1; x2; là nồng độ của các cấu tử trong hỗn hợp - Hỗn hợp 2 cấu tử: lghh =xAceton.lgAceton+xBenzen.lgBenzen

- Độ bay hơi tương đối của hỗn hợp:

4.3.1 Xác định số đĩa lí thuyết dựa vào đồ thị Mc Cabe – Thiesel

❖ Với Rth=3,1 Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn luyện là: y = 0,756x + 0,239

Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng là: y = 1,366x – 0,01 Dựng đồ thị Mc Cabe – Thiesel như đồ thị hình 4.3.1

❖ Dựa vào đồ thị 4.3.1 xác định được:

- Số đĩa lí thuyết đoạn chưng NLT(C) = 6 (đĩa) - Số đĩa lí thuyết đoạn luyện NLT(L) = 20 (đĩa) - Số đĩa lí thuyết toàn tháp NLT = 26 (đĩa)

4.3.2 Xác định số đĩa thực tế dựa trên hiệu suất trung bình

❖ Xét vị trí đĩa số 1: x1=0,016 (phần mol), y1 =0,047 (phần mol)

- Nhiệt độ nội suy từ bảng 4.1.1.Bảng thành phần cân bằng pha lỏng–hơi và nhiệt độ

❖ Xây dựng bảng số liệu 4.3.2 và 4.3.3 bằng cách tính toán tương tự tại các bậc thay đổi nồng độ của thiết bị theo thứ tự sau:

- Từ nồng độ Aceton trong pha lỏng (x) xác định nhờ đồ thị hình 4.3.1, xác định nhiệt độ độ sôi (t) và nồng độ Aceton trong pha hơi cân bằng với pha lỏng (y*) dựa vào đồ thị 4.1.1 Nội suy độ nhớt dựa vào bảng số liệu 4.3.1 từ nhiệt độ sôi đã xác định

Tính độ nhớt của hỗn hợp Xác định độ bay hơi tương đối dựa vào x và y* - Tính tích số α.μ sau đó tra đồ thị hình IX.11 Xác định hiệu suất trung bình của thiết bị [2 – 171] để tìm giá trị η tương ứng

Bảng 4.3.2 Xác định hiệu suất tại các bậc thay đổi nồng độ của đoạn chưng

❖ Hiệu suất làm việc trung bình của đoạn chưng: tb(C) = 51,33%

Bảng 4.3.3 Xác định hiệu suất tại các bậc thay đổi nồng độ của đoạn luyện

❖ Hiệu suất làm việc trung bình của đoạn luyện: tb(L) = 62,225% ❖ Hiệu suất làm việc trung bình của toàn tháp: 12 26

❖ Số đĩa thực tế của toàn tháp: 26 43,54 44

 Lấy NTT = 12+33 = 45 (đĩa) (Sai số do làm tròn, sai khác 1 đĩa) ❖ Đĩa tiếp liệu là đĩa số 12 tính từ dưới đáy tháp lên

4.3.3 Chiều cao của tháp chưng luyện

❖ Chiều cao của tháp chưng luyện:

H =Nh+ + h [2 - IX54 - 169] Trong đó: + NTT là số đĩa thực tế (NTT = 45)

+ h = hchưng = hluyện = 500 mm = 0,5 m: là khoảng cách giữa hai đĩa + δ là chiều dày của đĩa, chọn δ = 5 mm = 0,005 m

+ ∆h là khoảng cách cho phép ở đỉnh và đáy thiết bị (dao động từ 0,8 –

➢ Do đường kính ống hồi lưu hơi ở đáy tháp lớn nên ta cộng thêm một đoạn h=0,2(m) vào đoạn chưng

 HC = 6 + 0,2 = 6,2 (m)  H = 23,1 + 0,2 = 23,3(m)

4.4 Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện

4.4.1 Cân bằng nhiệt lượng của hỗn thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu:

QD1 + Qf = QF + Qng1 + Qxq1 [2 – 196 – IX.149] Trong đó: + QD1 là nhiệt lượng hơi đốt mang vào (J/h)

+ Qf là nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào (J/h) + QF là nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra (J/h) + Qng1 là nhiệt lượng do nước ngưng mang ra (J/h)

+ Qxq1 là nhiệt lượng do môi trường xung quanh lấy (J/h)

4.4.1.1 Nhiệt lượng hơi đốt mang vào + r1 là ẩn nhiệt hóa hơi (J/kg)

+ λ1 là hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng) của hơi đốt (J/kg) + θ1 là nhiệt độ nước ngưng

+ C1 là nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg.độ)

❖ Do không cần đun nóng quá 180C ở đây ta sử dụng loại hơi đốt phổ biến trong công nghiệp là hơi nước bão hòa

❖ Vì nhiệt độ của hỗn hợp đầu là tF=64,95C nên nhiệt độ của hơi đốt phải cao, chọn 119,6C tương ứng với áp suất 2 at [1 – 314 – Bảng I.251 Tính chất hóa lý của hơi nước bão hòa phụ thuộc vào áp suất]

❖ Tra bảng tính chất hóa lý của hơi nước bão hòa phụ thuộc áp suất [1 – 314] có nhiệt hóa hơi r1 = 527,0 (kcal/kg) = 2208.103 (J/kg); nhiệt lượng riêng (hàm nhiệt) + Cf là nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu (J/kg.độ)

+ tf là nhiệt độ đầu của hỗn hợp (C)

❖ Bảng nhiệt dung riêng phụ thuộc nhiệt độ của Aceton và Benzen (J/kg.độ)