BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠNG NGHỆ HÓA HỌC

BÀI TẬP LỚN
MƠN: Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

Đề Tài :

THIẾT KẾ THIẾT BỊ NỒI ĐUN KETTLE CỦA HỆ
THỐNG THIẾT BỊ THÁP MÂM XUYÊN LỖ
CHƯNG CẤT HỖN HỢP BENZEN - TOLUEN

GVHD: NGUYỄN MINH TIẾN
SVTH: TRƯƠNG KIM LAN
MSSV: 16026541
LỚP: DHHO12C

1


BỘ CƠNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐHCN TP.HỒ CHÍ MINH

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
__________________

NHIỆM VỤ BÀI TẬP LỚN
KHOA: CƠNG NGHỆ HỐ HỌC
BỘ MƠN: MÁY & THIẾT BỊ

HỌ VÀ TÊN: TRƯƠNG KIM LAN

MSSV: 16026541

LỚP HP:

1. Tên bài tập lớn:
Tính tốn thiết kế thiết bị nồi đun kettle của hệ thống thiết bị tháp mâm xuyên lỗ chưng cất hỗn
hợp Benzene – Toluene với năng suất nhập liệu 3000kg/h.
2. Nhiệm vụ bài tập lớn (yêu cầu về nội dung và số liệu ban đầu)
a. Số liệu ban đầu:
- Nồng độ đầu 35% phần mol benzene.
- Nồng sản phẩm đỉnh 80% phần mol benzene.
- Nồng sản phẩm đáy 9% phần mol benzene.
- Các thống số khác tự chọn.
b. u cầu:
- Tổng quan và quy trình cơng nghệ.
- Cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng.
- Tính tốn thiết bị chính.
- Tính tốn thiết bị phụ.
………………………………………………………………………………
c. Bản vẽ:
- Bản vẽ qui trình cơng nghệ (1 bản A1).
- Bản vẽ chi tiết thiết bị chính (1 bản A1).
3. Ngày giao nhiệm vụ bài tập lớn:
4. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 25/11/2019
5. Họ và tên người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Minh Tiến
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 08 năm 2019.
TỔ TRƯỞNG BỘ MÔN
(Ký và ghi rõ họ tên)


GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ tên)

2


Trần Hoài Đức

Nguyễn Minh Tiến

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................

................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
Phần đánh giá
Nội Dung thực hiện:...............................................................................................
Hình thức trình bày:...............................................................................................
Tổng hợp kết quả:..................................................................................................
Điểm bằng số: ...........................Điểm bằng chữ:...................................................
Tp.HCM, ngày……tháng……năm……
3


TỔ TRƯỞNG BỘ MÔN

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

(Ký và ghi rõ họ tên)

(Ký và ghi rõ họ tên)

4



NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
Phần đánh giá

Nội Dung thực hiện:...............................................................................................
Hình thức trình bày:...............................................................................................
Tổng hợp kết quả:..................................................................................................
Điểm bằng số: ...........................Điểm bằng chữ:...................................................
Tp.HCM, ngày……tháng……năm……
TỔ TRƯỞNG BỘ MÔN

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

(Ký và ghi rõ họ tên)

(Ký và ghi rõ họ tên)
5


6


MỤC LỤC
LỜI NĨI ĐẦU

6

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ Q TRÌNH CHƯNG CẤT

7

1.1. Lý thuyết về chưng cất..........................................................................................................................7
1.1.1.


Khái niệm...................................................................................................................................7

1.1.2.

Phương pháp chưng cất.............................................................................................................8

1.2. Thiết bị chưng cất..................................................................................................................................8
1.3. Giới thiệu về nguyên liệu.......................................................................................................................9
1.3.1.

Benzen & Toluen........................................................................................................................9

1.3.2.

Các phương thức điều chế.......................................................................................................10

1.3.3.

Hỗn hợp Benzen – Toluen........................................................................................................11

CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CHƯNG CẤT BENZENE – TOLUENE

12

2.1. Quy trình cơng nghệ tổng qt...........................................................................................................12
2.2. Thuyết minh quy trình........................................................................................................................13
CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT 14
3.1. Các thông số ban đầu..........................................................................................................................14
3.2. Xác định suất lượng sản phẩm đỉnh va sản phẩm đáy......................................................................14
3.3. Xác định chỉ sớ hồn lưu thích hợp....................................................................................................16

3.3.1.

Chỉ sớ hồn lưu tới thiểu......................................................................................................16

3.3.2.

Chỉ sớ hồn lưu làm việc......................................................................................................16

3.3.3.

Phần cất...............................................................................................................................19

3.3.4.

Phần chưng..........................................................................................................................20

CHƯƠNG 4: CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG

22

4.1. Thiết bị gia nhiệt nhập liệu.................................................................................................................22
4.2. Thiết bị ngưng tụ.................................................................................................................................23
7


4.3. Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh.....................................................................................................24
4.4. Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy.......................................................................................................25
4.5. Cân bằng năng lượng cho tồn tháp..................................................................................................26
CHƯƠNG 5: TÍNH TỐN THIẾT KẾ NỒI ĐUN 28
5.1. Tính tốn kích thước chính của thiết bị.............................................................................................28

5.1.1.

Lựa chọn thiết bị..................................................................................................................28

5.1.2.

Suất lượng hơi nước cần dùng.............................................................................................28

5.1.3.

Xác định bề mặt truyền nhiệt..............................................................................................28

5.1.4.

Xác định ..............................................................................................................................28

5.1.5.

Xác định hệ số truyền nhiệt K.............................................................................................29

5.1.6.

Số ống truyền nhiệt:.............................................................................................................34

5.1.7.

Chiều dài và đường kính trong của nồi...............................................................................35

5.2. Tính tốn cơ khí...................................................................................................................................35
5.2.1.


Bề dày thân nồi....................................................................................................................36

5.2.2.

Bề dày đáy và nắp thiết bị....................................................................................................36

5.2.3.

Chọn mặt bích thiết bị nồi đun............................................................................................37

5.2.4.

Đường kính ớng dẫn............................................................................................................38

5.2.5.

Tính tốn chân đỡ thiết bị...................................................................................................40

TÀI LIỆU THAM KHẢO

43

8


LỜI NÓI ĐẦU

Cơng nghệ hóa học cũng như các sản phẩm khác của nó có ảnh hưởng rất lớn đến
nhiều ngành sản xuất khác. Trong đó benzen và toluene là những sản phẩm khá

được quan tâm. Trong công nghiệp, hai chất này thường được sản xuất để có được
nồng độ cao, nhằm thỏa mãn nhu cầu sử dụng và tiết kiệm chi phí vận chuyển, lưu
trữ.
Ngày nay, các phương pháp được dùng để nâng cao độ tin khiết: trích ly, chưng
cất, cơ đặc, hấp phụ… Tùy theo đặc tính u cầu của sản phẩm mà ta có sự lựa
chọn phương pháp thích hợp. Đối với hệ benzene - toluen là gồm hai cấu tử hịa
tan lẫn hồn tồn, nên ta chọn phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết
cho sản phẩm.
Nhiệm vụ của đề tài này là tính toán thiết kế thiết bị nồi đun kettle của hệ thống
thiết bị tháp mâm xuyên lỗ chưng cất hỗn hợp benzene - toluen với năng suất
nhập liệu là 3000kg/h, nồng độ dòng nhập liệu là 35% phần mol benzene, nồng
độ sản phẩm đỉnh là 80% phần mol benzen và nồng độ sản phẩm đáy là 9% phần
mol benzen
Đồ án môn học này được thầy Nguyễn Minh Tiến trực tiếp hướng dẫn thực hiện,
em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn và giúp đỡ của thầy trong suốt quá trình
em nghiên cứu và thực hiện đồ án.

9


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH
CHƯNG CẤT
1.1.

Lý thuyết về chưng cất
1.1.1. 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 hồ 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 đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi nhỏ (nhiệt độ sơi lớn)
Đối với hệ Benzen – Toluen
 Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm benzen và một ít toluen.
 Sản phẩm đáy chủ yếu là toluen và một ít benzen.
1.1.2. Phương pháp chưng cất
Các phương pháp chưng cất được phân loại theo :
10


 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 sơi của
các cấu tử q cao thì ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi của các cấu
tử.
Ngun lí làm việc:
 Chưng một bậc

 Chưng lơi 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.
1.2.

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.
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 đượ 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.
11


 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.

Ưu điểm


Tháp đệm

Tháp mâm chóp

Tháp mâm xuyên lỗ

-

Khá ổn
định.

Trở lục tương đối
thấp.

cao.

Hiệu suất

-

Hiệu suất cao.

lớn.

Trở lực

-

Không làm việc


Cấu tạo đơn

giản
-

Trở lực thấp.

Làm việc được
với chất lỏng bẩn.
Nhược
điểm

Do có hiệu ứng

thành nên hiệu suất
truyền khối thấp.
-

Độ ổn định

được với chất lỏng bẩn.

Kết cấu
phức tạp.

-

Kết cấu phức tạp.


khơng cao, khó vận
hành.
-

Thiết bị nặng nề.
Bảng 1. Ưu nhược điểm của các loại tháp chưng cất

1.3.

Giới thiệu về nguyên liệu
1.3.1. Benzen & Toluen
Benzen là một hợp chất mạch vịng, ở dạng lỏng khơng màu và có mùi thơm nhẹ.Công
thức phận tử là C6H6. 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 benzen làm
dung môi. 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.

12


Các tính chất vật lí của benzen:
 Khối lượng phân tử: 78,11
 Tỉ trọng (20oC): 0,879
 Nhiệt độ sôi: 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 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 mơi trong phịng thí

nghiệm và trong cơng nghiệp.
Các tính chất vật lí của toluen:





Khối lượng phân tử : 92,13
Tỉ trọng (20oC) : 0,866
Nhiệt độ sôi : 111oC
Nhiệt độ nóng chảy : -95oC

1.3.2. Các phương thức điều chế
Đi từ nguồn thiên nhiên: Thơng 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 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 benzen hay các dẫn xuất của
benzen
C6H12

C 6 H6

Đi từ acetylene: 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
3C2H2
C 6 H6
13


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)
C6H6 + CH3- Cl
1.3.3. Hỗn hợp Benzen – Toluen

C6H5-CH3

Ta có bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Benzen – Toluen ở
760 mmHg như sau:
x

0

5

10

20

30

40


50

60

y

0

11,8

21,4

38

51,1 61,9 71,2 79

t

110,6 108,3 106,1 102,2

70

80

90

100

85,4


91

95,9

100

84,4

82,3

80,2

98,6 95,2 92,1 89,4 86,8

Bảng 2. Bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Benzene Tolunen

14


CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CHƯNG CẤT
BENZENE – TOLUENE
2.1. Quy trình công nghệ tổng quát
1. Bồn chứa nguyên liệu.
2. Bơm.
3. Thiết bị đun sơi dịng nhập liệu.
4. Tháp chưng cất.
5. Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh.
6. Thiết bị trao đổi dòng
7. Thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh.
8. Bồn chứa sản phẩm đỉnh.

9. Thiết bị đun sôi đáy tháp ( Nồi đun Kettle).
10. Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy.
11. Bồn chứa sản phẩm đáy.

15


2.2.

Thuyết minh quy trình

Hỗn hợp Benzene – Toluene có nồng độ benzene là 35% (phần mol), nhiệt độ
nguyên liệu lúc đầu là 250C tại bồn chứa nguyên liệu (1), được bơm (2) bơm lên
thiết bị đun sơi dịng nhập liệu (3) được gia nhiệt tới nhiệt độ sôi trong thiết bị
truyền nhiệt. Sau đó hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất (4) ở đĩa nhập liệu và
bắt đầu quá trình chưng cất. Lưu lượng dịng nhập liệu được kiểm soát qua lưu
lượng kế.
Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn cất 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. Dòng 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 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 benzene sẽ ngưng tụ
lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử benzene chiếm nhiều
nhất (nồng độ 80% phần mol). Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ (5) được ngưng tụ
hoàn toàn. Sản phẩm đi qua thiết bị trao đổi dòng (6) một phần chất lỏng ngưng tụ
đi qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (7), rồi được đưa qua bồn chứa sản phẩm
đỉnh (8). 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 (nước). Hỗn

hợp lỏng ở đáy có nồng độ benzene là 9% phần mol, còn lại là nước. dung dịch
lỏng ở đáy đi ra khỏi tháp vào nồi đun (9). 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 (10) rồi sau đó vào bồn chứa sản
phẩm đáy (11).
Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là aceton, sản phẩm đáy sau khi
trao đổi nhiệt với nhập liệu được thải bỏ.
16


CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT
3.1.
-

Các thông số ban đầu
Năng suất theo nhập liệu :
3000 kg/giờ
Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong nhập liệu :
35% mol benzen
Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đỉnh : 80% mol benzen
Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy : 9% mol benzen
Nguyên liệu vào hệ thống ở nhiệt độ sơi
Q trình làm việc trong thiết bị ở áp suất thường.
Loại thiết bị sử dụng tháp mâm xuyên lỗ.
Khối lượng phân tử của benzen và toluene : MB = 78, MT = 92
 Chọn:
-

nhiệt độ nhập liệu: tF= 25°C


-

nhiệt độ sản phẩm đỉnh: tD= 30°C

-

Nhiệt độ sản phẩm đáy: tW= 30 °C

 Các kí hiệu:
-

F, D, W: Lượng nguyên liệu đầu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy.
aF, aD, aW: Phần khối lượng của Benzen ở hỗn hợp đầu, đỉnh và đáy.
xF, xD, xW: Phần mol của Benzen trong pha lỏng ở hỗn hợp đầu, đỉnh

-

và đáy.
yF, yD, yW: Phần mol của Benzen trong pha hơi ở hỗn hợp đầu, đỉnh
và đáy.

3.2.

Xác định suất lượng sản phẩm đỉnh va sản phẩm đáy

 Phương trình cân bằng vật chất trong tồn bộ tháp.
F=D+W
 Phương trình cân bằng vật chất đối với cấu tử dễ bay hơi.

17



 Cân bằng vật chất ta có tổng dịng ngun liệu vào bằng tổng dịng sản phẩm
ra.
=>
 Vì đề bài cho theo % mol nên phải đổi sang % khối lượng để tính lượng sản
phẩm đỉnh và sản phẩm đáy.
Ta có: a
aF = = 0,313
aD = = = 0,772
aW == = 0,077

=>

Y

100

100

90

90

80

80

70


70

60

60

50

50

40

40

30

30

20

20

10

10

0

0


10

20

30

40

50

60

70

80

90

Hình 1. Đồ thị cân bằng Benzen – Toluen
3.3.

Xác định chỉ sớ hồn lưu thích hợp
3.3.1. Chỉ sớ hồn lưu tối thiểu

18

0
100



Dựa vào đồ thị ta có =>
Trong đó là là nồng độ cân bằng ứng với .
Chỉ số hoàn lưu cực tiểu được xác định theo phương pháp đại số qua biểu thức sau:

3.3.2. Chỉ sớ hồn lưu làm việc
Được xác định qua tỷ số hoàn lưu tối thiểu.
R = b.Rmin
Trong đó: hệ số dư b=1,2 2
Với các giá trị Ri > Rmin ta được các giá trị tung độ bi tương ứng
bi =
Vẽ các đường làm việc của đoạn luyện ứng với các giá trị bi đó. Từ đó qua đồ thị ta
tìm được các gía trị Ni tương ứng. từ các gía trị Ni tìm được ta thành lập các giá trị
tương ứng Nlt (Ri +1).
b

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

R

1.073


1.287

1.502

1.716

1.931

2.145

Số mâm
Nlt.(R +1)

∞
∞

10
22.87

9
22.52

8
21.73

7
20.52

7

22.02

Nlt.(R +1)

Bảng 3. Bảng số liệu tổng hợp
23.5
23
22.5
22
21.5
21
20.5
20
19.5
19

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.7


1.8

1.9

2

R= 1,8
Hình 2. Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa Ri và Nlt (Ri +1)
19

2.1


Sau quá trình khảo sát đồ thị ta tìm được tỉ số hồi lưu thích hợp Rlt

Hình 3. Đồ thị xác định số mâm lí thuyết hệ benzene – toluene
Từ đồ thị ta xác định được: Rlt =1,8 ; blt = 1,7 ; Nlt = 7,5 mâm
Lưu lượng dịng hồn lưu:
R →
 Phương trình đường làm việc của đoạn cất

= 0,643 + 0,032
Phương trình làm việc đoạn chưng
Gọi f là suất lượng mol dòng nhập liệu trên suất lượng mol sản phẩm đỉnh:

Lượng hơi trung bình đi trong tháp.
20


3.3.3. Phần cất

 (kg/h)
Trong đó:
 : lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (Kg/h).
 g1: lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện (Kg/h)
 Xác định
gđ = P.(R +1) = 12,61.(1,8+ 1) = 35,308 (Kmol/h)
 gđ = 35,308. 80,79 = 2852,53 (Kg/h).
 Xác định
Lượng hơi đi vào đoạn luyện, lượng hơi và hàm lượng hơi và lượng lỏng đối
với đĩa thứ nhất của đoạn luyện được xác định theo hệ phương trính cân bằng vật
liệu và cân bằng nhiệt lượng sau:

Trong đó:
 : ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn cất
 : ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi ra ở đỉnh tháp
=96,9°C , ta được:
Ẩn nhiệt hóa hơi của benzene: = 381,1 (KJ/kmol).
Ẩn nhiệt hóa hơi của toluen: = 369,996 (KJ/kmol).
Suy ra: = = 369,996 – 11,104(KJ/kmol).
 Tính
Với = 0.8, nội suy từ hình 1, = 84,4°C, = 0.91
= 84,4°C, Tra bảng 1.212, trang 254, [1], ta được
Ẩn nhiệt hóa hơi của benzen: = 390,34 (KJ/kmol).
Ẩn nhiệt hóa hơi của toluen: = 376,28(KJ/kmol).
21


Suy ra:
=
= 390,34 . 0,91 ( 1 – 0,91) . 376,28

= 389,07 (KJ/kmol)
= = 0,35, thay số vào hệ phương trính ta được:
Giải hệ phương trình ta được:
+ = 84,44(kg/kmol)
Suy ra:
3.3.4. Phần chưng
 (kg/h) [2]
Trong đó:
 : lượng hơi ra khỏi đoạn chưng (Kg/h).
 : lượng hơi đi vào đoạn chưng (Kg/h)
 Xác định :

Xác định
Từ hệ phương trình
Trong đó:
: lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn chưng
: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng
 Tính r’1:
=0,09 tra đồ thị hệ cân bằng ta có: =0,1948
Suy ra:
= 78. +(1- ).92
= 78.0,1948+92.(1-0,1948) = 89,27 (Kg/kmol)
. = . = 106,54°C,
Tra bảng 1.212, trang 254, [1], ta được:
Ẩn nhiệt hóa hơi của benzene: r’B = 373,496(KJ/kmol)
Ẩn nhiệt hóa hơi của toluene: r’T = 364,399 (KJ/kmol).
Suy ra: r’1= r’.yW + (1-yW).r’N1




= 373,496 .0,1948 +(1 – 0,1948). 364,399 = 366,17 (KJ/kmol)
22


 Tính r1
= 369,996 – 11,104
= 363,99 (KJ/kmol).
* W= 21,83 (kmol/h). thay số:
Giải phương trình được:

23


CHƯƠNG 4: CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
4.1. Thiết bị gia nhiệt nhập liệu
QF = GhF. rhF = . CpF.( tSF - tF) + Qm
Trong đó:
QF là lượng nhiệt cần cung cấp cho thiết bị nhập liệu.
GhF là lượng hơi gia nhiệt nhập liệu.
rhF là nhiệt hóa hơi của dịng nhập liệu.
tSF = 96,9oC là nhiệt độ sơi của dịng nhập liệu tại xF = 0.35
tF = 250C là nhiệt độ đầu của hỗn hợp vào thiết bị gia nhiệt.
lưu lượng khối lượng của dòng nhập liệu kg/h
CpF nhiệt dung riêng đẳng áp của thiết bị gia nhiệt J/kg.C
Qm là lượng nhiệt tổn thất ra mơi trường
Ta có: t = = = 60,950C
Nhiệt dung riêng của Benzene và Toluene tra bảng I.153 trang [ 171 – 172] theo
phương thức nội suy, ta được:

Nhiệt dung riêng đẳng áp của thiết bị gia nhiệt nhập liệu:

CPf = .CB + (1 - ) .CT = 0.313 1934,99 + (1 – 0.313) 1903,8
= 1913,56 J/kg.độ
Lượng nhiệt cần cung cấp cho thiết bị nhập liệu:
Chọn nhiệt tổn thất Qm =5% QF = 5% .. rhF
↔ QF = GhF. rhF = . CpF.( tSF - tF) + 5% QF
↔ 0,95 . QF = .CpF .(tsF – tF)
↔ QF =[ . CpF.(tsF – tF)] / 0,95
24


= = 120688,56 (W)
4.2. Thiết bị ngưng tụ
Qnt = D.(R+1) . rD = Gn. Cn (tc – tđ) + Qm
Trong đó:
Qnt là năng lượng tại thiết bị ngưng tụ
D là lưu lượng khối lượng của dòng sản phẩm đỉnh kg/h
R tỉ số hồn lưu
rD là nhiệt lượng hóa hơi của sản phẩm đỉnh.
Gn suất lượng nước cần dùng
Nhiệt dung riêng của nước Cn= 4,186 kJ/kg.độ
Qm là lượng nhiệt tổn thất ra môi trường
Chọn nhiệt độ nước giải nhiệt là tđ = 30oC, tc = 40oC
Với tSD = 84,4oC là nhiệt độ sơi sản phẩm đỉnh tại xD = 0.8
Ta có: t = = = 57,20C
Nhiệt hóa hơi của Benzene và Toluene tra bảng I.212 trang [ 254] theo phương
thức nội suy, ta được:

Nhiệt lượng hóa hơi của sản phẩm đỉnh:
rD = rB. + (1-).rT= 410,14 0,772 + (1 – 0,772) 389,87 = 405,62 kJ/kg
Chọn Qm =5% Qnt =0,05 D.(R+1). rD

Ta có: Qnt = D.(R+1) . rD = Gn. Cn (tc – tđ) + Qm
↔ D.(R+1). rD = Gn.Cn.(tc –tđ) + 0,05 D.(R+1). rD
↔ 0,95.D.(R+1). rD = Gn.Cn.(tc –tđ)
25