LOI NOI DAU

Chung cất là phương pháp dùng dé 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. Chúng ta có thể thực hiện nhiều biện pháp chưng cất khác nhau
như chưng cất gián đoạn, chưng cất liên tục, chưng cất đơn giản, chưng cất đặc biệt.
Khi chưng cất, hỗn hợp đầu có bao nhiêu cấu tử thì ta thu được bấy nhiêu cấu tử sản
phẩm. Theo đề bài thì hỗn hợp đầu gồm 2 cấu tử là Benzen và Toluen nên được gọi
là chưng cất hỗn hợp 2 cấu tử.

Trong phần đồ án này hỗn hợp hai cấu tử Benzen — Toluen được phân tách
thành hai cấu tử riêng biệt nhờ phương pháp chưng cất liên tục với tháp chưng luyện
là loại tháp đệm, làm việc ở áp suất thường (1at) với hỗn hợp đầu vào ở nhiệt độ sôi.

Sau quá trình chưng cất, ta thu được sản phẩm đỉnh là cấu tử có độ bay hơi lớn
hơn (Benzen) và một phần tất ít cấu tử có độ bay hơi bé hơn (Toluen). Sản phẩm đáy
gồm hầu hết các cấu tử khó bay hơi (Toluen) và một phần rất ít cấu tử dề bay hơi
(Benzen).

Trong suốt q trình tính tốn và thiết kế bản đồ án thiết kế tháp chưng
luyện liên tục hai câú tử Benzen và Tooluen đã hoàn thành với các nội dung
sau:

Phần I: Sơ đồ công nghệ và các chế độ thuỷ động của tháp.

Phần II: Tính tốn, thiết kế thiết bị chính.

Phan HI: Tính tốn cân bằng nhiệt lượng.

Phan VI: Tinh toán cơ khí.

Phần V: Tính toán các thiết bị cần thiết.

Phần TY: Kết luận và nhận xét.

SO DO DAY CHUYEN CÔNG NGHỆ
VA CHE DO THUY DONG CUA THAP

I. SO DO DAY CHUYEN CONG NGHE SAN XUAT, (HINH 1):
Nguyên liệu đầu được chứa trong thùng chứa (1) và được bơm (2) bơm lên

thùng cao vị (3). Mức chất lỏng cao nhất và thấp nhất ở thùng cao vị được khống chế
bởi của chảy tràn. Hỗn hợp đầu từ thùng cao vị (3) tự chảy xuống thiết bị đun nóng
hỗn hợp đầu (4), q trình tự chảy này được theo dõi bằng đồng hồ lưu lượng. Tại
thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu (4) (dùng hơi nước bão hoà), hỗn hợp đầu được gia
nhiệt tới nhiệt độ sôi, sau khi đạt tới nhiệt độ sôi, hỗn hợp này được đưa vào đĩa tiếp
liệu của tháp chưng luyện loại tháp đệm (5). Trong tháp, hơi đi từ dưới lên tiếp xúc
trực tiếp với lỏng chảy từ trên xuống, tại đây xảy ra quá trình bốc hơi và ngưng tụ
nhiều lần. Theo chiều cao của tháp, càng lên cao thì nhiệt độ càng thấp nên khi hơi
đi qua các tâng đệm từ dưới lên, cấu tử có nhiệt độ sơi cao sẽ ngưng tụ. Q trình
tiếp xúc lỏng — hơi trong tháp diễn ra liên tục làm cho pha hơi ngày càng giầu cấu tử
dễ bay hơi, pha lỏng ngày càng giầu cấu tử khó bay hơi. Cuối cùng trên đỉnh tháp ta
sẽ thu được hầu hết là cấu tử dễ bay hơi (Benzen) và một phần rất ít cấu tử khó bay
hơi (Toluen). Hỗn hợp hơi này được đi vào thiết bị ngưng tụ (6) và tại đây nó được
ngưng tụ hồn tồn (tác nhân là nước lạnh). Một phần chất lỏng sau ngưng tụ chưa
đạt yêu cầu được đi qua thiết bị phân dòng (7) để hồi lưu trở về đỉnh tháp, phần còn
lại được đưa vào thiết bị làm lạnh (8) để làm lạnh đến nhiệt độ cần thiết sau đó đi
vào thùng chứa sản phẩm đỉnh (10).

Chất lỏng hồi lưu đi từ trên xuống dưới, gặp hơi có nhiệt độ cao đi từ dưới lên,
một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp lại bốc hơi đi lên, một phần cấu tử khó bay hơi

trong pha hơi sẽ ngưng tụ đi xuống. Do đó nồng độ cấu tử khó bay hơi trong pha
lỏng ngày càng tăng, cuối cùng ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng gồm hầu hết là
cấu tử khó bay hơi (Toluen) một phần rất ít cấu tử dễ bay hơi (Benzen), hỗn hợp
lỏng này được đưa ra khỏi đáy tháp, qua thiết bị phân dòng, một phần được đưa ra
thùng chứa sản phẩm đáy (11), một phần được tận dụng đưa vào nổi đun sơi đáy
tháp (9) dùng hơi nước bão hồ. Thiết bị (9) này có tác dụng đun sơi tuần hồn và
bốc hơi hỗn hợp đáy (tạo dòng hơi đi từ dưới lên trong tháp). Nước ngưng của thiết
bị gia nhiệt được tháo qua thiết bị tháo nước ngưng (12).

Tháp chưng luyện làm việc ở chế độ liên tục, hỗn hợp đầu vào và sản phẩm
được lấy ra liện tục.

II. CHẾ ĐỘ THUY DONG CUA THAP DEM:
Trong tháp đệm có 3 chế độ thuỷ động là chế độ chảy dịng, chế độ q độ và

chế độ xốy.
Khi vận tốc khí bé, lực hút phân tử lớn hơn và vượt lực lỳ. Lúc này q trình

chuyển khối được xác định bằng dịng khuyếch tán phân tử. Tăng vận tốc lên lực lỳ
trở nên cân bằng với lực hút phân tử. Quá trình chuyển khối lúc này không chỉ được

quyết định bằng khuyếch tán phân tử mà cả bằng khuyếch tán đối lưu. Chế độ thuỷ
động này gọi là chế độ quá độ. Nếu ta tiếp tục tăng vận tốc khí lên nữa thì chế độ
q độ sẽ chuyển sang chế độ xốy. Trong giai đoạn này q trình khuyếch tán sẽ
được quyết định bằng khuyếch tán đối lưu.

Nếu ta tăng vận tốc khí lên đến một giới hạn nào đó thì sẽ xảy ra hiện tượng
đảo pha. Lúc này chất lỏng sẽ chiếm toàn bộ tháp và trở thành pha liên tục, cịn pha
khí phân tán vào trong chất lỏng và trở thành pha phân tán. Vận tốc khí ứng với thời
điểm này gọi là vận tốc đảo pha. Khí sục vào lỏng và tạo thành bọt vì thế trong giai

đoạn này chế độ làm việc trong tháp gọi là chế độ sủi bọt. Ở chế độ này vận tốc
chuyển khối tăng nhanh, đồng thời trở lực cũng tăng nhanh.

Trong thực tế, ta thường cho tháp đệm làm việc ở chế độ màng có vận tốc nhỏ
hơn vận tốc đảo pha một ít vì q trình chuyển khối trong giai đoạn sủi bọt là mạnh
nhất, nhưng vì trong giai đoạn đó ta sẽ khó khống chế quá trình làm việc.

* Uu điểm của tháp đệm:
+ Hiệu suất cao vì bề mặt tiếp xúc pha lớn.
+ Cấu tạo tháp đơn giản.
+ Trở lực trong tháp không lớn lắm.
+ Giới hạn làm việc tương đối rộng.

* Nhược điểm.
+ Khó làm ướt đều đệm.
+ Tháp cao quá thì phân phối chất lỏng không đều.

* Bảng kê các ký hiệu thường dùng trong bản đồ án:
- F: Lượng hỗn hợp đầu, kg/h (hoặc kg/s, kmol/h)
- P: Lượng sản phẩm đỉnh, kg/h (hoặc kg/s, kmol/h)

- W: Lượng sản phảm đáy, kg/h (hoặc kg/s, kmol/h)
- Các chỉ SỐ g p w,A,s: tương ứng chỉ đại lượng đó thuộc về hỗn hợp đầu, sản
phẩm đỉnh, sản phẩm đáy của Axeton và Benzen.
- a: nồng độ phần khối lượng, kg axeton/kg hỗn hợp
- x: nồng độ phần mol, kmol axeton/kmol hỗn hợp
- M: Khối lượng mol phân tử, kg/kmol

- n: độ nhớt, Ns/m7


- p: khối lượng riêng, kg/m”
- Các chỉ số a s,x,y,w: tương ứng chỉ đại lượng thuộc về cấu tử axeton, benzen,
thành phần lỏng, thành phần hơi và hỗn hợp.

- Ngoài ra các ký hiệu cụ thể khác được định nghĩa tại chỗ.

PHAN III

TINH TOAN THIET BI CHINH

I. TINH CAN BANG VAT LIEU: [I— I 144]
1. Tính toán cân bằng vật liêu:
- Phương trình cân bằng vật liệu chung cho tồn tháp. [II — 144]

F=P+W

- Đối với cấu tử dễ bay hơi

Fap = Pa,+ Wa,
- Lượng san phẩm đỉnh là:

P=F 4

a,-4a,

Trong đó:
F: nang suất tính theo hỗn hợp đầu, kg/s hoặc kg/h
ap, a,, a„: lân lượt là nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp đầu, sản phẩm

đỉnh, sản phẩm đáy, phần khối lượng

Dau bai cho F = 3,5 kg/s

hay F = 3,5.3600 = 12.600kg/h.
Vậy ta có lượng sản phẩm đỉnh là:

P=Hh. är ~8„ _1;øgg,C.25—602 _ 2 s00kg/h
a, 4, 0,98— 0,02

- Lượng sản phẩm đáy là:

W =F-P = 12.600 — 2.800 = 9.800 kg/h

2. Đổi nồng đô phần khối lương sang nồng đô phần mol của ay. a,„. a,:
Áp dụng công thức

8a

x= Ms [II — 126]
G4. GR

M, M,

Trong đó:

a¿ ap: nồng độ phần khối lượng của Benzen và Toluen

M,, Mz: khéi luong mol phân tử cua Benzen va Toluen
Vor M,=M,,, =78 kg/kmol

M, =Moy, =92 kg/kmol


Thay số liệu vào ta có:

ap 0,28

M, 78 a
XP” 2c + (I-a,) 0/28 + 1-0/28 7770 TP ứnG
M, M, T8 92

ap 0,98
M, 78 À
Xp Ap (l—a,) 0,98 1—0,98 0,983 phan mo

M, + M, 78 + 92

a, 0,02 À
ay, M =a,)
M, M, 78 9.024 phan mo

0/02 1-0/02
78 92

3. Tính khối lương phân tử trung bình của hỗn hợp đầu, sản phẩm đỉnh, san
phẩm đáy:

Theo công thức: M = x.M¿ + (1 - x)Mạ

Trong đó:

M: Khối lượng phân tử trung bình, kg/kmol


x: Nồng độ phần mol

- Khối lượng phân tử trung bình của sản phẩm đỉnh:

M, =x„Mạ + (1- x,)Mp

M, = 0,983.78 +(1- 0,983).92

M, = 87,604 kg/kmol

- Khối lượng phân tử trung bình của hỗn hợp đầu:

Mg = Xp.M, + (1 - xr)Mp

Mg = 0,314.78 +(1- 0,314).92

Mg = 78,238 kg/kmol

- Khối lượng phân tử trung bình của sản phẩm đáy:

M,, = xXy-M, + (1 - x„)Mạ

M,, = 0,024.78 +(1- 0,024).92
M, = 91,664 kg/kmol

4. Đổi đơn vỉ của F, P, W tit kg/h sang kmol/h:

F _ F(kg/h) _ 12.600= = 161,05kmol/h
M, 78,238


p= Plkg!h) _ 2.800 _ 3 o6emot/h
M, 87604

y —Whketh) _ 9800 _ 196 otemot/h

M, 91664

5. Lương hỗn hợp đầu trên một đơn vi sản phẩm đỉnh:

pat 16405 _ 5 oy
P 3196

II. XÁC ĐỊNH SỐ BẬC THAY ĐỔI NỒNG ĐỘ:
1. Xác đỉnh R„„„ dưa trên đồ thi y — x:
Dựng đường cân bằng theo số liệu đường cân bằng tra trong bảng phần cân

bằng lỏng hơi và nhiệt độ sôi của hai cấu tử ở 760mmHg (phần trăm số mol) của

Benzen và Toluen ta có bảng sau: [H — 145]

Bảng 1

X 0 5 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 | 70 | 80 | 90 | 100

y O | 11,8 | 21,4] 38 | 51,1 | 61,9 | 71,2 | 79 | 85,4} 91 | 95,9 | 100

ỨC. |110,6| 108,3 | 106,1 | 102.2 | 98,6 | 95,2 | 92,1 | 89,4 | 86,8 | 84,4 | 823 | 50,2

- Từ số liệu trong bảng trên ta vẽ đồ thị đường cân bằng long (x) — hoi (y)

(hình 1), với giá trị của xg = 0,314 ta dóng lên đường cân bang va tim được giá trị
yp=0,525%
thức
- Rưư„: lượng hồi lưu tối thiểu được tính theo cơng

RXo:.=°* [I — 158]

Vr —~*y

y „: nồng độ cấu tử dễ bay hoi trong pha hơi cân bằng với nồng độ trong pha
lỏng xạ của hỗn hợp.

x,—7r _ 0,983—0,525 _- 217

my =x„ 0,525—0,314

2. Tính chỉ số hồi lưu thích hơp:

Rạ: chỉ số hồi lưu thích hợp được tính theo tiêu chuẩn thể tích tháp nhỏ nhất.
Cơ sở của việc chọn R„„ theo tiêu chuẩn thể tích tháp nhỏ nhất là:

V=HS

H: tỷ lệ vớiNụ
G=W.S=P.(+R)

=> Stÿlệvới R+1
= V=H.$tỷ lệ với Nụ(+R1)

Giá thành tháp tỷ lệ với V, mà V tỷ lệ với N,(R + I), giá thành tháp thấp nhất

ứng với thể tích tháp nhỏ nhất. Vì vậy cần phải chọn chế độ làm việc thích hợp cho
tháp, tức 1a Ry.

Trong đó: V: là thể tích của tháp

H: chiều cao của tháp

S: tiết diện của tháp

N¿,: số bậc thay đổi nồng độ (số đĩa lý thuyết)

Ung với mỗi giá trị của R > R„„„„ ta dựng được một đường làm việc tương ứng
và tìm được một giá trị Nụ (Các đồ thị từ 3 +7 là đồ thị xác định số đĩa lý thuyết)

Từ đó ta có bảng số liệu sau.

Bảng 2

R, 2,28 2,932 3,915 5,553 8,83

B 0,249 0,246 0,24 0,23 0,208

Nụ 22 21 20 19 18

NụŒ, + 1) 84,7 81,9 80 79,23 82,8

Xây dựng đồ thị quan hệ giữa R„ — N„(R„+1). Qua đồ thị ta thấy, với R, = 2,93 thì
N,(R, + 1) là nhỏ nhất hay thể tích tháp nhỏ nhất. Vậy ta có Rạ = 2,93 (Đồ thị 8).

3. Phương trình đường nơng đơ làm việc của đoan luyên:


R x+— X>2 [I— 1I48]
R,+1 NI

Trong đó:
y: là nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi đi từ dưới lên.
x: là nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng chảy từ đĩa xuống.

R, : chỉ số hồi lưu. 0,983
Thay số liệu vào ta có. 2,93+1

yi = RR,+1 x+ X p R +1 = 2,93 295331 x+

yi = 0,75x + 0,25

4. Phương trình đường nơng độ làm viêc của đoan chưng:

yo thy fay [11.158]

R,+1 R,+1

Trong đó:

—... : lượng hỗn hợp đâu tính cho Iksmản pohẩmlđỉnh.

Thay số liệu vào ta có.

R,+f In: 2,993+5,04 5,04-—1
R,+1 x ” — 2,93+1 x— 2,93+1 .
Ve == R,+1 x


y, = 2,028x — 0,0247

Ill. TINH DUONG KINH THAP CHUNG LUYEN:
Đường kính tháp được xác định theo công thức

D=0,0188 6aẤm)" (II- 181]

Py, tb

Trong đó:
Ø„: lượng hơi trung bình đi trong tháp, kg/h.

(py.Øy)¿: tốc độ hơi trung bình đi trong tháp, kg/m”.s

Vì lượng hơi và lượng lỏng thay đổi theo chiều cao của tháp và khác nhau
trong mỗi đoạn nên ta phải tính lượng hơi trung bình cho từng đoạn.

1. Đường kính đoan luyên:

a. Xác định lượng hơi trung bình di trong đoạn luyện:

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện tính gần đúng bằng trung bình cộng
của lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp và lượng hơi ổi vào đĩa dưới cùng
của đoạn luyện.

Ly = Bae , kg/h [II - 181]

Trong đó:
Ø„: lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện, kg/h.

øa: lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp, kg/h.
ø¡: lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của tháp, kg/h.

* Lượng hơi ra khỏi định tháp:

8a = Gạ + G, = G,(R,+1) [II— 181]

£4 = 2800(2,93 + 1)

øa¿ = 11.004 kg/h

* Luong hoi di vao doan luyén:

Luong hoi g,, ham luong hoi y, va luong long G, d6i véi dia thứ nhất của đoạn
luyện được xác định theo hệ phương trình.

øi=Gi+G, (1)

£1-Y¥1 = Gx, + G,.x, (2) [II - 182]

Ø1. = 8a-1a (3)

Trong đó:

y;: hàm lượng hơi đi vào đĩa 1 của đoạn luyện, phần khối lượng.

G;: lượng lỏng đối với đĩa thứ nhất của đoạn luyện.

r,: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa.


ry: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi ra khỏi đỉnh tháp.

Xị = xr= 0,314 phần khối

T¡ =Tạ.VY¡ + (Í-Y4).Tp [II - 182]

Với r,,r,: ẩn nhiệt hoá hơi của các cấu tử nguyên chất là Benzen va Toluen ở
f¡ = tr. Từ x¡= xạ = 0,314 tra đơ thị lỏng hơi hình 9 ta duoc t°, = t; = 97,6 °C

Với t? = 97,6 ”C nội suy theo bảng I.212 trong [I— 254] ta được;

r„ =rc„„ = 380,66 k]/kg.

ty ="o,n, = 369,64 kJ/kg.

> 1, =380,66.y, + (1 - y,).369,64

> r, =11,02y, + 369,64 kI/kg.

Tạ = T1. Va + q — Vạ).Tp [II - 182]

Với r„, r„ạ: ẩn nhiệt hoá hơi của các cấu tử nguyên chất là Benzen và Toluen ở
Ủ; = t,. Ti x, = 0,983 tra đồ thị lỏng hơi hình 9 ta được t, = 82,6°C.

ya: hàm lượng hơi đi ra khỏi đỉnh tháp, phần khối lượng.

Ya = Yp = Xp = 0,95 phan khéi luong.
Với t°, = tp = 82,6°C ni suy theo bang I.212 trong [I — 254] ta duoc:

r„ =rạ„„, =391,65k]/kg.


r, =r„„, =371.18 k]/kg.

Trạ= 391,65.0,98 + (1 - 0,98).377,18

> Tạ= 391,36 k]/kg.

Thay các giá trị đã tính được vào hệ phương trình trên ta được

g, = G, + 2800

Ø¡.y¡ = 0,314G; + 2800.0,98

g,(11,02y, + 369.64) = 11004.391,36 = 4306525,44

Giải hệ phương trình ta được:

ø¡ =30012,06 kg/h

G, = 27212,06 kg/h

y, =0,345 phân khối lượng

Thay y¡ = 0,345 vào r¡ ta được:

r, = 11,02.0,345 + 369,64 = 373,4419 k]/kg

Vay luong hoi trung binh di trong doan luyén 1a:

2, = & + 8i — 11004 + 30012,6 _ 2050803 kg/h.


b. Tinh khéi lượng riêng trung bình
* Khối lượng riêng trung bình đối với pha hơi được tính theo

ø — -Mu„+(~ y„).M * 273, kg/m’. [II - 183]
2247
vụ

Trong đó:

MẠM;: khối lượng phần mol của cấu tử Benzen và Toluen

T: nhiệt độ làm việc trung bình của tháp, °K.

y„¡: nồng độ phần mol của cấu tử 1 lấy theo giá trị trung bình

ya, T Vo, [ II- 183 ]

Y bh, = 5

Với y„, y„ : nồng độ làm việc tại 2 đầu mỗi đoạn tháp, phần mol.

Ya,= Yp = 0,983 phan mol

y., = Y1 = 0,345 phan khéi luong

Đổi sang phần mol ta có:

0,345 _ 0,383 phầẦn mol
y., _= 0345 17~8 0345


78 92

Ty. +7, 0,083+0,383 = 0,683 phan mol

=> Vn, = 2

V6i y,, =0,7348phan mol. N6i suy tir s6 liéu trong bang IX.2a [II-145] ta

được đu =93,5°C

f> T=93,5+ 273 = 366,5 °K.
Vậy khối lượng riêng trung bình của pha hơi đối với đoạn luyện là:

— J?h -M, + (= yu, ).M,= 273

“ha, 22,4.T

Pro: = 0,83+.(71 8— > 0,683).92 .273 = 2,74ke/m.3
22,4.366,5 ef

* Khối lượng riêng trung bình đối với pha lỏng

te a Sh l-a kim? (II - 183]
Pin Pray Pan

Trong đó:

ø,„ : khối lượng riêng trung bình của lỏng, kg/mể.


Pring > Prigg * khối lượng riêng trung bình của cấu tử 1 và 2 của pha lỏng lấy theo

nhiệt độ trung bình, kg/m.

Ay: phần khối lượng trung bình của cấu tử l trong pha long.

a, =" a - 123 5 0,78 _ 0 63phần khối lượng

/„: nhiệt độ trung bình của đoạn luyện theo pha long

_Xr + Ty 031410283 _ 0,6485 phần mol.

Với x„ =0,6485phan mol. Nội suy từ số liệu trong bảng IX.2a, [H-145] ta
được /¿ =87,6°C

Ứng với t0 = 87,6°C. Nội suy theo bảng I.2 trong [I-9] ta được:

Px, = 795,64kg/mi.
Ø.„„ = 790,4 kg/mẺ.

Vậy khối lượng riêng trung bình của lỏng trong đoạn luyện là:

Lp, „1a — 0,63 „1-9,63
Px, Đụ Pry 795,64 790,4

=> p,,x = 793,69kg/m°

c. Tinh tốc độ hơi đi trong tháp:

Đối với tháp đệm khi chất lỏng chảy từ trên xuống và pha hơi đi từ dưới lên

chuyển động ngược chiều có thể xảy ra bốn chế độ thuỷ động; Chế độ chảy màng,
chế độ quá độ, chế độ xoáy và chế độ sủi bọt. ở chế độ sui bọt thì pha lỏng chiếm
tồn bộ thể tích tự do và như vậy pha lỏng là pha liên tục. Nếu tăng tốc độ lên thì
tháp bị sặc. Trong phần tính tốn này ta tính tốc độ hơi của tháp dựa vào tốc độ sặc
của tháp.

Tốc độ hơi đi trong tháp đệm

œ = (0,8 + 0,9)0, [II — 187]

Với œ, là tốc độ sặc, m/s được tính theo cơng thức

Y = 1,2e*% [II — 187]

wo 0,16
Với yo et P oo | Me [Il- 187]
gi. Øyy \

X= l#j 1/4 |] 1/8 [II — 187]

G, Px,

Trong đó:

ơạ: bề mặt riêng của đệm, m”/mỶ
V4; thé tich tu do cua dém, m?/m?
g: gia tốc trọng trường, m”/s
G,, G.: lượng lỏng và lượng hơi trung bình, kg/s

P;,,Py, kh6i lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha hơi, kg/m”


20°C, u„. Hạ: độ nhớt của pha lỏng theo nhiệt độ trung bình và độ nhớt của nước ở
Ns/m”
* Tinh G, G,:

Ta có G, = gy, = 30012,06 kg/h

=“2=838^2,86 =8337kg/s
” 3600 5

6. - Gpt+G,_ P.R P.R,+G, _ 2800.2,93+27212,06 _ 17708,03kg/h222

- 1770803 _ 4 919k/s
3600

* Tính độ nhới.

- Độ nhớt của nước ở t = 20°C, Tra bảng L102 trong [I — 94] ta có lạ =

1,005.10 Ns/m.

- Độ nhớt của pha lỏng ở t= 87,6°C, Nội suy theo bảng I.101 trong [I— 91] ta được.

Ha = Hex, = 0,2676.10° N.s/m°*

Hs = Hey, = 0,27676.10° N.s/m?

Vậy độ nhớt của pha lỏng tính theo nhiệt độ trung bình là

lgLạn = Xø.lgHA+ (1 - xXạ).Ìgp [I — 84]


lguu„, = 0,6485.1g(0,2676.10”) + (1 - 0,6485)1g(0,2767160.) = -0,525525

> Unn = LW, = 0,298.10° Ns/m?

Thay số liệu ta có

= G 1⁄4 Pre | 1/8 — 17708,03 1/4 2,74 1/8 =04315

G y Px, 30012,06 793,69

Y = 1,2e4°S) = 0,2136
Chọn loại đệm vòng Rasiga bằng sứ đổ lộn xộn. Số liéu trong [II — 193]

Bảng 3

Kích thước | Bề mặtriêng | Thể tích tự do | Số đệm trong | Khối lượng riêng
ơạ m”/m° Vạ, m'/mỶ 1m’
dém,mm | xốp, pạ, kg/mÏ
165 0,76 25.10
30x30x3,5 570

Từ công thức:

" 0,16
y= OaP on | Hx [Il - 187]
gử, ‘Px, Hy

Suy ra; Ø@£ =. 2 Y.g}7.Ð., 0,2136.9,81.0,76°.793,69


ơ,p, 1 “* 0,16 — 0 208 102 0,16
165.2,74| ““——-
vol ay y 1,005.10

o,= 1,96155 m/s
> @, = 1,4 m/s

Lấy œ=0,8o,

œ=0,8.1,4= 1,12 m/s

Vậy đường kính của đoạn luyện là:

D, =0,0188. E2} =0,0188. aa =154m.

Øy‹®, }„ ede,

Quy chuẩn đường kính đoạn luyện là D, = 1,6 m
* Thứ lại điều kiện làm việc thực tế.
- Tốc độ hơi thực tế đi trong đoạn luyện là:

oO, y = 20508,03.0,01887 5 = 1,033 m/s

1,6°.2,74

- Ty số giữa tốc độ thực tế và tốc độ sặc là:

œ„ _ L033 =0,739
@ ở 1,


Vậy chọn đường kính là 1,6m có thể chấp nhận được.
* Kiểm tra cách chọn đệm.

da _ 4W, _ 4.0/76 = 0,0184m

O74

D 1,6
d„ 0,0184

Vậy cách chọn đệm và đường kính tháp của đoạn luyện như vậy là chấp nhận
được yêu cầu của bài toán và phù hợp với q trình tính tốn

2. Đường kính đoạn chưng:
a. Luong hơi trung bình đi trong tháp

gu = — II - 182]

Trong đó: (g„= g¡)

#„: lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng, kg/h.

g ;: lượng hơi đi vào đoạn chưng, kg/h.

Vì lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đoạn luyện
nên ta có thể viết:

g's = ae [II - 182]

Lượng hơi đi vào đoạn chưng g};, luong long G, va ham luong long x, duoc

xác định theo hệ phương trình cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng sau:

G,=2,+G,

Gy.X1=21-Yw + Gy.Xy [H- 182]

21.0, = 2.4

Trong đó:

r;: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng.

x„: thành phần cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy.

r,: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa trên cùng của đoạn chưng.

Ta có:

G,, = W = 9800 kg/h.

x„ = 0,024 phần mol tương ứng với 0,02 phần khối lượng

Y¡ =y„ xác định theo đường cân bằng ứng với x„ = 0,024 phần mol.

> yy = 0,062 phan mol.

Đổi y = y„ = 0,062 phần mol ra phần khối lượng ta có:

yi=y, _ 0,062.78 = 0,053 phần khối lượng
0,062.78 + (1— 0,062).92


Tì = Tạ. Yì + (1- Y))-Tp [II — 182]

Với r„, rạ: ẩn nhiệt hoá hơi của các cấu tử nguyên chất ở t° = t„. Với x„ = 0,024.
tra đồ thị hình 9 ta được t, = 100,5°C. Từ t? =t„ =100,5°C nội suy theo bảng I.212
trong [I — 254] ta được.

r, =378,49k]/kg.

r, = 368,13 kJ/kg.

=>r;= 378,49.0,053 + (1 - 0,053).368,13
r¡ =368,68 k]/kg

Thay vào hệ phương trình trên ta được:
G,=g;+9800
G,. KX, = 2 .0,053 + 9800.0,02
g ;.368,68 = 30012,06.373,4419

Giải hệ phương trình trên ta được:
g¡ =30399,69 kg/h
G; = 40199,698 kg/h
x, = 0,04496 phan khối lượng

Vay luong hoi trung binh di trong doan chung 1a:

£ be= ø¡+g: _ 30012,06+30399,698 2 2 = 30205,879 kg/h.

b. Tính khối lượng riêng trung bình:
* Khối lượng riêng trung bình đối với pha hơi được tính theo:


ø _ T-Mu„+q~ y„).M * 273, kg/m’.To [II - 183]
2247

Trong đó:

MẠM;: khối lượng phần mol của cấu tử Benzen và Toluen

T: nhiệt độ làm việc trung bình của tháp, °K.

yạ„„: nồng độ phần mol của cấu tử l lấy theo giá trị trung bình

Va, t+ Yo, [ II- 183 ]

V tbe = 2

Với y„, y„ : nồng độ làm việc tại 2 đầu mỗi đoạn tháp, phần mol.

y„= Y`: = y„ = 0.062 phần mol

y„ = yị = 0,383 phần mol

sy - 74 + +74 _ 0,062 +0,383 _ 0.2225 phân mol
tbe 2 2

Với y„ =0,2225phần mol. Nội suy từ số liệu trong bảng IX.2a [II-145] ta

được /„ = 106,8”C

> T= 106,8 + 273 = 379,8 °K.

Vậy khối lượng riêng trung bình của pha hơi đối với đoạn chưng là:

7 — VM, + y„).M, .273
tuc 2247

Pre _ 0,2225.78+ (1— 0,2225).92 .273 = 2,852kg/m?.
22,4.379,8

* Khối lượng riêng trung bình đối với pha lỏng

PN a 9 l-a 6 im [II- 183]

Px, Pro Px,

Trong đó:
ø,„ : khối lượng riêng trung bình của lỏng, kg/m'.

Pring ? Pring, * khối lượng riêng trung bình của cấu tử 1 và 2 của pha lỏng lấy theo
nhiệt độ trung binh, kg/m’.

z„ : phần khối lượng trung bình của cấu tử 1 trong pha lỏng.

_ đp +4

đụ >

V6i a’,: nồng độ phần khối lượng của pha lỏng ở đĩa dưới cùng của đoạn
chưng.

Ta c6: a’; = x’, = 0,04496 phan khéi lượng


=a, == > a _ 028+ — = 0,1625 phan khéi luong

/„: nhiệt độ trung bình của đoạn chưng theo pha lỏng

Xp = Xp >

Ta c6 x’, = 0,04496 phan khéi luong

. 0,04496
78 à
*h — 004496 , @=0,04496) 0,0526 phan mo
78 92

=> Xz, Xp te 03141 00526 01838 phân mol5

Với x„ =0,1838phần mol. Nội suy ti sé liéu trong bang IX.2a [II-145] ta

được t) =104,5°C

Ung véi t° = 104,5°C. Nội suy theo bảng I.2 trong [I-9] ta được:

Ø,„ = 787,6 kg/m'.

Ø.„ = 783,06 kg/mi.

Vậy khối lượng riêng trung bình của lỏng trong đoạn chưng là:

1 _ 4 1-4 _ 01625, + 1—0/1625 = 0,001276


Px, Pry Pra, 787,6 783,06

>ø x; „ =783,8kg/mÏ

c. Tinh tốc độ hơi đi trong đoạn chưng:

Đối với tháp đệm khi chất lỏng chảy từ trên xuống và pha hơi đi từ dưới lên
chuyển động ngược chiều có thể xảy ra bốn chế độ thuỷ động; Chế độ chảy màng,
chế độ quá độ, chế độ xoáy và chế độ sủi bọt. ở chế độ sui bọt thì pha lỏng chiếm
tồn bộ thể tích tự do và như vậy pha lỏng là pha liên tục. Nếu tăng tốc độ lên thì
tháp bị sặc. Trong phần tính tốn này ta tính tốc độ hơi của tháp dựa vào tốc độ sặc
của tháp.

Tốc độ hơi đi trong tháp đệm

œ = (0,8 + 0,9)0, [II — 187]

Với œ, là tốc độ sặc, m/s được tính theo công thức

Y = 1,2e*% [II — 187]

wo 0,16
Với yo et P oo | Me [Il- 187]
eV, Px, \Hy

X= l#j 1/4 |] 1/8 [II — 187]

G, Px,

Trong đó:


ơạ: bề mặt riêng của đệm, m”/mỶ
V4; thé tich tu do cua dém, m?/m?
g: gia tốc trọng trường, m”/s
G,, G.: lượng lỏng và lượng hơi trung bình, kg/s

P;,,Py, kh6i lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha hơi, kg/m”

Ux, u„: độ nhớt của pha long theo nhiệt độ trung bình và độ nhớt của nước ở
20°C, Ns/m?

* Tinh Gy Gy:
Ta có G, = g'„ = 30205,879 kg/h

30205,879

ve 3600

x G,+G, _ 27212,06+ 40199,698 = 33705,879 kg/h

c2 2

33705,879
= “2° = 936kg/s
¥e 3600 a

* Tính độ nhói:

- Độ nhớt của nước ở t = 20°C, Tra bảng I.102 trong [I - 94] ta có lạ =
1,005.10 Ns/mử.


- Độ nhớt của pha lỏng ở t”„ = 104,5°C. Nội suy theo bảng I.101 trong [I - 91]
ta được.

Ma = Mey, = 0,2516.10° N.s/m?

Hs = Hey, = 0,262.10 N.s/m*

Vậy độ nhớt của pha lỏng tính theo nhiệt độ trung bình là

lgLnn = Xø.ÌlguA+ (1 - xạ). Ìgp [I- 84]

lguuạ = 0,1849.1g(0,2516.107) + (1 - 0,1849)1g(0,262.107)

> Unn = Ux = 0,3095.10° Ns/m?

Thay số liệu đã tính được ta có

yu(Gx| || _ (33705899) "(2,852)" _ 9 5994G1/41/81/4 1/8

G y p., 30205879) 783,8

Y =1,2e°”%2 = 0,1586

Chọn loại đệm vòng Rasiga bằng sứ đổ lộn xộn như đã chọn ở trên.

Từ công thức:

y= wo a P on | Be 0,16 [Il- 187]
gử, ‘Px, Hy


› — Y.g/., __0,1586.9,81.0,76°.783,8
: Ø¿:P, llD ms 652850 T0,T287.1202|””
th u › .

y

wo,” = 1,59 m/s

> @, = 1,26 m/s

Lấy œ= 0,80,

> œ = 0,8.1,26 = 1,008 m/s

Vậy đường kính của đoạn luyện là:

D, =0,0188.l„ Z5. =0,0188, | 20295572 —1 76m
(p, O, } 1,008.2,852

Quy chuẩn đường kính đoạn luyện là Dẹ = 1,6 m

* Thử lại điều kiện làm việc thực tế:

- Tốc độ hơi thực tế đi trong đoạn chưng là:

„__ 30205,879.0,01887y5 = 1,46 m/s

1,6°.2,852


- Ty số giữa tốc độ thực tế và tốc độ sặc là:

œ„ _ 1,46 = 0,89
@ ở 1,59

Vậy chọn đường kính là 1,ó m có thể chấp nhận được.

* Kiểm tra cách chọn đệm:

dig _ 4W, 4.0/76 = 0,0184m

O74

D, 16
d„ 0/0184. 3

Vậy với kết quả tính tốn được và sơ với điều kiện thực tế thì ta lấy đường kính
phần chưng là 1,6 m và đệm như đã chọn là hợp lý.

Z

VI. TÍNH CHIỀU CAO THÁP:

- Đối với tháp đệm, chiều cao làm việc của tháp hay chiều cao lớp đệm được
xác định theo công thức:

H=h,,.m, (m) [II — 175]

Trong đó: