1
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

NGÀNH QUÀ TRÌNH - THIẾT BỊ TRONG CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG
LUYỆN HỖN HỢP HAI CẤU TỬ CS
2
– CCl
4

Người thiết kế: Đậu Văn Viên

Lớp: Hóa dầu – K48 QN
Nhóm 2

I. Đầu đề thiết kế
Thiết kế và tính toán hệ thống chưng luyện liên tục làm việc ở áp suất thường để
tách hỗn hợp hai cấu tử CS
2
– CCl
4
.
Hỗn hợp đầu vào tháp ở nhiệt độ sôi
Lọai tháp:
II. Các số liệu ban đầu
- Năng suất thiết bị tính theo hỗn hợp đầu:
- Nồng độ tính theo cấu tử dễ bay hơi:
+ Hỗn hợp đầu(a
F
):
+ Sản phẩm đỉnh(a
p
):
+ Sản phẩm đáy(a
w
):
III. Yêu cầu thiết kế
1. Phần mở đầu
2. Vẽ thuyết minh dây chuyền sản xuất
3. Tính toán thiết bị chính:
a. Tính cân bằng vật liệu toàn thiết bị
b. Tín đường kính và chiều cao tháp


Ngày tháng năm 2007 Ngày tháng năm 2007
Cán bộ chấm bài Người nhận
(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)

4
Lời mở đầu

Trong lịch sử loài người việc chưng tách các cấu tử được ứng dụng từ rất sớm
để tách các loại tinh dầu, khi axit sunfuric, axit nitric và đặc biệt là từ khi rượu được
khám phá thì chưng cất trở thành phương pháp hết sức quan trọng. Ngày nay chưng
cất phát triển rất mạnh được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và đời sống. Đặc
biệt đối với nhiều ngành trong công nghệ hóa chất thì chưng cất là một khâu quan
trọng không thể thiếu.
Đối với nhiều quá trình công nghệ yêu cầu tách hỗn hợp các chất với nồng độ
cao, năng suất lớn do đó người ta sử dụng phương pháp chưng luyện liên tục.
Chưng luyện là phương pháp dùng nhiệt để tách hỗn hợp các cấu tử có nhiệt độ sôi
khác nhau có hồi lưu trở lại một lượng sản ở sản phẩm đỉnh. Do đó chỉ số hồi lưu là

C thường được dùng để làm dung môi không
cháy đối với các chất béo và dùng để dập tắt lửa.
Đồ án tính toán, thiết kế này nhằm giúp thành thạo và ngày càng hoàn thiện hơn
các kỹ năng tính toán, khả năng tra cứu tài liệu. Đồng thời giúp hiểu sâu sắc hơn về
phương pháp chưng cất nói chung và phương pháp chưng luyện nói riêng bổ sung
vào kiến thức môn hóa công cũng như các môn học liên quan.

5 Chú thích:
1. Thùng chứa hỗn hợp đầu
2. Bơm
3. Thùng cao vị
4. Thiết bị ống chùm để gia nhiệt hỗn hợp đầu

2
. Do đó hơi đi lên từ đáy tháp chứa chủ yếu là CS
2
và ở đáy tháp là hỗn hợp giàu
CCl
4
. Hơi ở đỉnh tháp chứa một ít CCl
4
đi qua thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh (6)
ngưng tụ thành lỏng và nhờ thiết bị phân chia dòng (7) thì một phần sản đỉnh được
hồi lưu trở lại tháp để tăng độ tinh khiết của sản phẩm đỉnh. Phần còn lại nồng độ
đạt yêu cầu được đưa qua thiết bị làm lạnh (8) để làm lạnh đến nhiệt độ thường
trước khi đi vào thiết bị chứa sản phẩm đỉnh (10). Hỗn ở sản phẩm lỏng ở đáy tháp
một phần cũng được hồi lưu trở lại, được đun bốc hơi nhờ thiết bị (9) và đi vào đáy
thiết bị chưng luyện. Phần còn lại được đưa vào thiết bị chứa sản phẩm đáy (11).
6 Phần III. TÍNH TOÁN KĨ THUẬT VÀ THIẾT BỊ CHÍNH

I.Đổi nồng độ phần khối lượng sang nồng độ phần mol

CS
F
M
a
M
a
M
a

=
154
22.01
76
22.0
76
22.0


= 0.36 phần mol;
Nồng độ mol của CS
2
trong hỗn hợp sản phẩm đỉnh:

P
x
=
42
2
1
CCl

2
1
CCl
w
CS
w
CS
w
M
a
M
a
M
a


=
154
005.01
76
005.0
76
005.0


= 0.01 phần mol.
II/ Biểu diễn đường cân bằng pha
Hình II.2.1
III. Giải cân bằng vật liệu
III.1. Tính theo phần khối lượng (kg/s)


= 5,02 – 4,04 = 1,16 kg/s
III.2 Tính theo phần mol (mol/s)

7

`

WWPPFF
xGxGxG 

[II-144]

W
=
WP
F
F
xx
xx
G


P
[II - 144]
= 5,2 .
005,098,0
22,098,0



M
F
=
92,125
2,5
= 0,0413 kmol/s

W
G

= 0,0413.
005,098,0
36,098,0


= 0,026 kmol/s

WFP
GGG 
= 0,041 – 0,026 = 0,015 kmol/s
IV.Tính chỉ số hồi lưu tối thiểu và chỉ số hồi lưu thích hợp
IV.1. Tính chỉ số hồi lưu tối thiểu
Chỉ số hồi lưu tối thiểu được xác định theo công thức:

min
R =
F
FP
xy
yx

R
) dựa vào hệ số hồi lưu ( hệ số hiệu chỉnh):


=
min
R
R
th
[II - 158]
Thông thường

có giá trị từ 1- 2,5.
Chỉ số hồi lưu thích hợp ứng với giá trị cực tiểu trên đường cong biểu quan hệ
giữa )1( RN
lt
và
R
. Trong đó:
lt
N : Số đĩa lí thuyết,

R
: Chỉ số hồi lưu
Bằng phương pháp đồ thị ta xác định được số bậc thay đổi nồng độ (N) khác
nhau tương ứng với các giá trị

khác nhau theo đồ thị từ hình IV.2.1 – IV.2.6.

8

R = 2,4 và
lt
N = 16,
l
lt
N
= 9,
c
lt
N
= 7.
IV.3. Phương trình đường làm việc của đọan chưng và đoạn luyện
* Phương trình đường làm việc đoạn luyện

Y
=
x
R
R
th
th
1
+
P
th
x
R 1
1

[II-158]


f
=
P
F
=
16,1
2,5
= 4,48
=>
'
Y
= 2,02 x – 1,02
W
x
V. Tính đường kính thiết bị
Đường kính thiết bị được tính theo công thức sau:

D
=
tb
V
tb

.3600.
4
, m [II-181]
Hay là:

D

:Tốc độ hơi (khí) trung bình đi trong tháp, kg/m
2
s.
V.1.Tính lượng lỏng và lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện và đoạn chưng
của tháp
Công thức tính lượng dòng lỏng:

l
x
G
=
RP.
p
l
M
M
, kg/s [III - 117]

c
x
G
=
RP.
p
c
M
M
, kg/s [III - 118]
Và cho dòng hơi:


c
x
G
,
c
y
G
: Lượng dòng lỏng và dòng hơi trong đoạn chưng, kg/s;

P
M
:
Khối lượng mol của sản phẩm đỉnh, kg/kmol;

cl
MM , : Khối lượng mol trung bình của lỏng trong đoạn luyện và đoạn
chưng của tháp, kg/mol.
Ta có:

l
M =
2
CS
M .
l
tb
x +
4
ccl
M (

x
= 67,0
2
36,098,0
2




Fp
xx
phần mol

c
tb
x
= 185,0
2
01,036,0
2




wF
xx
phần mol

l
M = 76.0,67 + 154.(1 – 0,67) = 101,74 kg/mol

=
11,5
76
57,139
4,2.16,1 
kg/s

l
y
G
=
p
l
M
M
RP )1( 
=
28,5
76
74,101
)14,2(16,1 
kg/s

10

c
y
G
=
p






























x

;
V
td
: Thể tích tự do của đệm, m
3
/m
3
;
g: Gia tốc trọng trường, m/s
2
;

yx

, : Khối lượng riêng của pha lỏng và pha hơi, kg/m
3
;

nx

,
: Độ nhớt của pha lỏng và độ nhớt của nước ở 20
0
C, N.s/m
2
;
G
x
, G
y





C
tt
t
wF
c
tb
0
18,68
2
08,7629,60
2






V.2.2. Khối lượng riêng của pha hơi và pha lỏng trong tháp
* Pha lỏng
Dựa vào số liệu quan hệ

- t trong bảng I.2[I-9] và bằng phương pháp nội suy
trên đồ thị V.2.2 ta xác định được:

1211
2

4

= 1498 kg/m
3

Trong đó:

l
CS
2

: Khối lượng riêng của CS
2
lở đoạn luyện;

l
CCl
4

: Khối lượng riêng của CCl
4
ở đoạn luyện;

c
CS
2

: Khối lượng riêng của CC
2
ở đoạn chưng;


c
CCl
c
CS
c
x
xx
42
'
2
'
1
1


Với:
x
1,
x
2
: Nồng độ phần khối lượng của CS
2
và CCl
4
ở đoạn luyện;
x
1
’
, x

'
1





wF
aa
x
phần mol

89,01
1
'
2
 xx
phần mol
=> 1322
1530
41,0
1211
59,01

l
x

kg/m
3



0
0
4,22
.

, kg/m
3 
80,3
45,532734,22
273.74,101


 kg/m
3

- Đoạn chưng:

 
c
tb
c
c
y
tT
TM


2;

l
CCl

= 0,627.10
-3
Ns/m
2
.

12

c
CS
2


= 0,234.10
-3
Ns/m
2
; c
CCl
4



CS
2


: Độ nhớt của CS
2
ở đoạn chưng, N.s/m
24
c
CCl

: Độ nhớt của CCl
4
ở đoạn chưng, N.s/m
2

Độ nhớt của hỗn hợp lỏng được xác định như sau:
lg
x

=
tb
x lg
2
CS

+ (1 –


= 0,67.lg0,263.10
-3
+ (1- 0,67).lg0,63.10
-3

= -3,45
=>
l
x

= 0,350.10
-3
N.s/m
2

- Đoạn chưng:
lg
c
x

=
c
tb
x
.lg
c
CS
2


d

= 135 m
2
/m
3
;

d
V = 0,78 m
3
/m
3
;

d

= 520 kg/m
3
.
Thay các số liệu vào công thức ta có:
lg

























l
x
l
y
l
y
l
x
G
G



lg

s

= -0,125 – 1,75.
125,0
25,0
1322
8,3
.
28,5
73,3















lg0,072.


2
l

3
2
n
c
x
c
xtd
c
yd
c
s
gV




= - 0,125 – 1,75
125,0
25,0
.





















16,0
3
3
3
2
10
10.465,0
1455.78,0.81,9
98,4.135
c
s

= - 0,125 – 1,75.
125,0
25,0
1455
98,4
.
24,7
11,5

s

.75,0 ta có:

l

= 0,75.1,1,32 = 0,99m/s;

c

= 0,75.1,18 = 0,86m/s.
Vậy ta có:

l
D = 0,0188
34,1
8,3.17,1
3600.28,5

m;

c
D = 0,0188.
98,4.99,0
3600.24,7
=1,44 m.
Quy chuẩn đường kính ta có:

l
D

D =
c
D =1,4m là chấp nhận được.
VI. Tính chiều cao tháp chưng luyện
Đối với tháp chưng luyện loại đệm chiều cao tháp thường được tính theo số đơn
vị chuyển khối:

ydvt
mhH . , m;
Hay:

xdvt
mhH .
, m. [II-175]
h
dv
: chiều cao của 1 đơn vị chuyển khối, m;
m
x
, m
y
: Số đơn vị chuyển khối xác định theo nồng độ trong pha lỏng và pha
hơi.
VI.1. Xác định số đơn vị chuyển khối
- Số đơn vị chuyển khối được xác định bằng phương pháp tích phân đồ thị:

14

y
m

cb

1
, xây dựng đồ thị quan
hệ giữa
yy
cb

1
và
y
( hình V.1). Giá trị
y
m chính là diện tích giới hạn bởi đường
cong, trục hoành và các đường
w
yy  ;
p
yy  .
- Kết quả được tổng hợp dưới bảng sau:

y

cb
y yy
cb

yy
cb


15

yy
cb

1

0
yw
y

F
y

p
y Hình VI.1. Quan hệ giữa
yy
cb

1
và
y
dy
m 6,48
VI.2 Xác định chiều cao của 1 đơn vị chuyển khố
Chiều cao của 1 đơn vị chuyển khối được xác định như sau:

21
h
G
mG
hh
x
y
dv

, m [II-177]
Trong đó:

1
h : Chiều cao của 1 đơn vị chưyển khối đối với pha hơi, m;

2
h : Chiều cao của 1 đơn vị chuyển khối đối với pha lỏng, m;

y
G : Lưu lượng pha hơi, kg/s;

x
G : Lưu lượng pha lỏng, kg/s;

m






, m; [II-177]
Với:

a
: Hệ số phụ thuộc vào dạng đệm, đối với đệm vòng a = 0,123;

Vd
: Thể tích tự do của đệm, m
3
/m
3
;

d

: Bề mặt riêng của đệm, m
2
/m
3
;


: Hệ số thấm ướt của đệm;

x



21
[II-168]
Trong đó:

1
m
,
2
m
,
i
m
: Giá trị tg góc nghiêng tương ứng với những đoạn khác nhau trên
đường cân bằng;
i: Số đoạn được chia (i = 3 – 6)
Từ hình VI.2.1 cho ta các giá trị góc m như sau:
51,0
11


tgm

55,0
22


tgm






mmm
m
l

Đoan chưng:
72,1
3
36,267,113,1
3
654





mmm
m
c

VI.2.2 Xác định hệ số thấm ướt

17
Hệ số thấm ướt

phụ thuộc vào tỉ số giữa mật độ tưới thực tế lên tiết diện
ngang của tháp và mật độ tưới thích hợp.

F : Diện tích mặt cắt ngang của tháp; m
2
;

B
: Hắng số, đối với chưng luyện lấy giá trị
B
= 0,065.
Ta có:

dth
BU

. = 0,065.135 = 8,77 m
3
/m
2
h
54,1
4
4,1.14,3
4
22

D
F
t

m
2

l
tt
F
V
U
m
3
/m
2
h

75,0
77,8
6,6

l
th
l
tt
U
U

Dựa vào đồ thị hình IX.16[II-178] ta xác định được

= 0,75
- Đoạn chưng:

183963600.11,5 
c
y

V
U
m
3
/m
2
h

94,0
77,8
21,8

c
th
c
tt
U
U

Dựa vào đồ thị hình IX.16[II-178] ta xác định được

= 0,96.
VI.2.3.Xác định chiều cao của 1 đơn vị chuyển khối ở đoạn luyện
 Xác định chuẩn số Reynon:
- Chuẩn số Reynon pha hơi:

18

d
l

y

Ns/m
2135
d

m
2
/m
3

=> 31,45
135.10.328,0
32,1.80,3.4,0
Re
3


l
y

- Chuẩn số Reynon pha lỏng:

xdt
l
x
l


m
2
/m
3

=> 05,2
135.10.35,0.54,1
73,3.04,0
Re
3


l
x

 Xác định chuẩn số Pran đoạn luyện
- Chuẩn số Pran pha hơi:

l
y
l
y
l
y
l
y
D



.10.0043,0
3
1
3
1
5,14
CClCS
cclcs
l
l
y
MM
VVP
T
D 









, m
2
/s [II-127]

l
T : Nhiệt độ trung bình của đoạn luyện, K

CClCS
VV : Thể tích mol của CS
2
, CCl
4
, m
3
/mol;

666,25.28,14
2

CS
V
cm
3
/mol;

20,1136,24.48,14
4

CCl
V
cm
3
/mol;

6
3
1

6
3



l
y

- Chuẩn số Pran pha lỏng:

l
y
l
x
l
y
l
x
D.
Pr



Trong đó:

3
10.35,0


l

x
tbDD , m
2
/s [II - 134]
;45,53
0
Ct
l


3
20
20
4
4
2,0
CCl
CCl
b



97,0
20
4

CCl

cP;
1594

20
6
20
424
42
11
.10.1










CClCS
BA
xCCl
CClCS
VV
MM
D

, m
2
/s [II - 133]
BA, : Hệ số liên hợp,
A


l
x
D

20
45,10
10.53,2.1322
10.35,0
Pr
8
3



l
x

Vậy:

   
16,110.14,19.31,45.
135.75,0.123,0
78,0
Pr.Re
3
2
25,0
3/225,0
1
















l
x
l
x
x
x
l
h



= 0,041m

19,1041,0.
73,3


4,0
Re  [II-178]
Với:
98,4
c
y

kg/m
3 18,1
c
s

m/s3
10.439,0


c
y

Ns/m
2
Với:
11,5
c
x
G kg/s

54,1
t
F
m
23
10.465,0


c
x

Ns/m
2
135
d

m
2
/m
3


10.439,0


c
y

Ns/m
2
;
80,3
c
y

kg/m
3
;

c
y
D : Hệ số khuyếch tán pha hơi đoạn, m
2
/s;

42
42
11
.10.0043,0
2
3
1

T = 273 +68,18 = 341,18 K

6
3
1
3
1
5,14
10.82,4
154
1
76
1
20,1136603,1
18,341.10.0043,0











c
y
D , m
2

3
10.465,0


c
y

, Ns/m
2
;
1455
c
y

kg/m
2
;

c
x
D : Hệ số khuyếch tán pha lỏng đoạn chưng, m
2
/s;





201
0



c
x
D , m
2
/s
28,10
10.94,2.1455
10.439,0
Pr
8
3



c
x

Vậy:

   
88,010.23,18.65,44.
135.96,0.123,0
78,0
Pr.Re
3
2
25,0
3/225,0

















c
x
c
x
x
x
c
h



= 0,46m

22

mh
m
Chiều cao làm việc của đoạn chưng:

c
H
=
49,6002,1.48,6 
c
y
c
dv
mh
m
Chiều cao đệm của tháp của tháp:

clt
HHH  = 9,77 + 6,49 = 16,26m
Chiều cao đệm đoạn luyện của tháp là 9,77 do đó:
98,6
4,1
77,9

d
H
l
> 5 nên ta chia đoạn làm 2 ngăn.khoảng cách giữa hai
ngăn là 0.9 m.
Khoảng cách từ đỉnh tháp đến lớp đệm đoạn luyện là 0.9 m.
Khoảng cách từ đáy tháp đến lớp đệm đoạn chưng là 0.9m.





[II - 189]
Trong đó:

t

: Vận tốc thực của khí trong lớp đệm:

d
y
t
V



, m/s


: Hệ số trở lực của đệm(gồm trở lực ma sát và trở lực cục bộ);

y

: Tốc độ của khí tính trên toàn bộ tiết diện tháp(vận tốc làm việc của khí
trong tháp);

d


y
l
y


[II - 189]
Với:

91,0
l
y

m/s

8,3
l
y

kg/m
310.328,0
l
y

-3
Ns/m
2


3
2
3

yy
d
dl
l
k
V
H
P



N/m
2
Trở lực đối với 1m đệm khô là:
33,567
77,9
79,5542
0



l
l
k
l
k

y

m/s
98,4
c
y

kg/m
3

3
10.439,0


c
y

Ns/m
2c
y
Re > 40 nên trở lực của đệm được xác định:

 
 
83,4
43,397
16

dc
c
k
V
H
P


N/m
2

Trở đối với 1m đệm đoạn chưng là:
77,755
0



c
c
k
c
k
H
P
P N/m
2

VII.2. Trở lực đêm ướt
Trở lực đệm ướt đươc xác định theo công thức sau:


t
l











[II - 191]

l
t
G
: Mật độ tưới đoạn luyện, kg/m
2
s;
44,2
78,0.4,1
73,3
.
22

dl
l
x


l
x

Ns/m
2 
352,0
56,206
74,1
Re
74,1
3,03,0

l
x
l
b

077,0
81,9.2
352,0
.
78,0
135
.
1322
44,2



l
A
K
Vậy:
Trở lực đệm ướt của đoạn luyện là:

34,703979,5542 27,1 
l
u
P
N/m
2

Trở lực đệm ướt đối với 1m đệm đoạn luyện là:
50,720
77,9
34,7039
0



l
l
u
l
u
H
P





c
t
G
: Mật độ tưới đoạn chưng, kg/m
2
s:
34,3
78,0.4,1
11,5
.
22

dd
c
x
c
t
VD
G
G kg/m
2
s


2 
348,0
98,212
74,1
Re
74,1
3,03,0

c
x
c
b
0896,0
81,9.2
348,0
.
78,0
135
.
1455
34,3
.3
3
3


c
A
K

Vậy:
Trở lực đệm ướt của đoạn luyện là:

85,649879,4904.325,1 
c
u
P
N/m
2

Trở lực đệm ướt đối với 1m đệm đoạn chưng là:

36,1001
49,6
85,6498
0



c
c
u
c
u
H