Luận văn tốt nghiệp
Đề tài: Chưng luyện để tách
hỗn hộp các cấu tử trong công
nghiệp
1

mục lục
Phần mở đầu 2
Vẽ và thuyết minh dây chuyền 2
Tính toán thiết bị chính 6
I.Tính cân bằng vật liệu 6
II.Đờng kính tháp 8
III.Số đĩa thực tế và chiều cao tháp 14
IV. Tính toán cơ khí 21
V. Trở lực 36
Cân bằng nhiệt 41
I. Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 41

tách hỗn hợp các cấu tử dễ bay hơi có tính chất hoà tan hoàn toàn hoặc một phần vào nhau.
vẽ v thuyết minh dây chuyền sản xuất
I. Thuyết minh dây chuyền sản xuất :
Hỗn hợp đầu từ thùng chứa 1 đợc bơm 2 bơm liên tục lên thùng cao vị 3. Mức chất lỏng
cao nhất ở thùng cao vị đợc khống chế nhờ ống chảy tràn. Từ thùng cao vị, hỗn hợp đầu
(đợc điều chỉnh nhờ van và lu lợng kế) qua thiết bị đun nóng dung dịch 4. Tại đây, dung
dịch đợc gia nhiệt bằng hơi nớc bão hoà đến nhiệt độ sôi. Sau đó, dung dịch đợc đa vào
tháp chng luyện qua đĩa tiếp liệu.
Tháp chng luyện gồm
hai phần : phần từ đĩa tiếp liệu trở lên trên là đoạn luyện, còn từ đĩa
tiếp liệu trở xuống là đoạn chng.
Nh vậy, ở trong tháp, pha lỏng đi từ trên xuống tiếp xúc với pha hơi đi từ dới lên. Hơi
bốc từ đĩa dới lên qua các lỗ đĩa trên và tiếp xúc với pha lỏng của đĩa trên, ngng tụ một
phần, vì thế nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng tăng dần theo chiều cao tháp. Vì nồng độ
cấu tử dễ bay hơi trong lỏng tăng nên nồng độ của nó trong hơi do lỏng bốc lên cũng tăng. Cấu
tử dễ bay hơi có nhiệt độ sôi thấp hơn cấu tử khó bay hơi nên khi nồng độ của nó tăng thì nhiệt
độ sôi của dung dịch giảm. Tóm lại, theo chiều cao tháp nồng độ cấu tử dễ bay hơi (cả pha
lỏng và pha hơi) tăng dần, nồng độ cấu tử khó bay hơi (cả pha lỏng và pha hơi) giảm dần, và
nhiệt độ giảm dần. Cuối cùng, ở đỉnh tháp ta sẽ thu đợc hỗn hợp hơi có thành phần hầu hết là
cấu tử dễ bay hơi còn ở đáy tháp ta sẽ thu đợc hỗn hợp lỏng có thành phần cấu tử khó bay hơi
chiếm tỷ lệ lớn. Để duy trì pha lỏng trong các đĩa trong đoạn luyện, ta bổ xung bằng dòng hồi
lu đợc ngng tụ từ hơi đỉnh tháp. Hơi đỉnh tháp đợc ngng tụ nhờ thiết bị ngng tụ hoàn
toàn 6, dung dịch lỏng thu đợc sau khi ngng tụ một phần đợc dẫn hồi lu trở lại đĩa luyện
trên cùng để duy trì pha lỏng trong các đĩa đoạn luyện, phần còn lại đợc đa qua thiết bị làm
lạnh 7 để đi vào bể chứa sản phẩm đỉnh 8. Chất lỏng ở đáy tháp đợc tháo ra ở đáy tháp, sau
đó một phần đợc đun sôi bằng thiết bị gia nhiệt đáy tháp 9 và hồi lu về đĩa đáy tháp, phần
chất lỏng còn lại đa vào bể chứa sản phẩm đáy 10. Nớc ngng của các thiết bị gia nhiệt đợc
tháo qua thiết bị tháo nớc ngng 11.
Nh vậy, thiết bị làm việc liên tục (hỗn hợp đầu đa vào liên tục và sản phẩm cũng đợc


3- Thùng cao vị 4- Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu
5- Tháp chng luyện 6- Thiết bị ngng tụ hồi lu
7- Thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh 8- Thùng chứa sản phẩm đỉnh
9- Thiết bị gia nhiệt đáy tháp 10- Thùng chứa sản phẩm đáy
11- Thiết bị tháo nớc ngng
http://nuoc.com.vn4
tính toán kỹ thuật thiết bị chính

- Giả thiết :
- Số mol pha hơi đi từ dới lên là bằng nhau trong tất cả mọi tiết diện của tháp.
- Số mol chất lỏng không thay đổi theo chiều cao đoạn chng và đoạn luyện.
- Hỗn hợp đầu đi vào tháp ở nhiệt độ sôi.
- Chất lỏng ngng tụ trong thiết bị ngng tụ có thành phần bằng thành phần của hơi đi ra ở
đỉnh tháp.
- Cấp nhiệt ở đáy tháp bằng hơi đốt gián tiếp.

- Yêu cầu thiết bị :
F : Năng suất thiết bị tính theo lợng hỗn hợp đầu = 7500 = 2,083(kg/s).
Thiết bị làm việc ở áp suất thờng, P = 1 at
Tháp loại : Tháp chóp

- Điều kiện :

F
a
: Nồng độ axeton trong hỗn hợp đầu = 0,34% khối lợng.


=

Lợng sản phẩm đáy là :

(kg/s) ,0
03,095,0
)34,095,0( . 2,083
)(
=


=


=
WP
FP
aa
aaF
W

Lợng sản phẩm đỉnh là :
P = F W = 06667 0,458 = 0,2087 (kg/s)

Tính lợng hỗn hợp đầu F, lợng sản phẩm đỉnh P, lợng sản phẩm đáy W theo kmol/s :

)/( 0302,06667,0.
18
7,0
46
)/( 10.889,42087,0.
18
05,0
46
95,0
.
1
'
3
21
skmolP
M
a
M
a
P
PP

=






+=



=
MaMa
Ma
x
FF
F
F8814,0
18/546/95
46/95
/)100(/
/
21
1
=
+
=
+
=
MaMa
Ma
x
PP
P
P3

6

a/ Chỉ số hồi lu tối thiểu :

4584,4
1436,0278092,0
278092,08814,0
*
*
min
=


=


=
FF
FP
xy
yx
Rb/ Chỉ số hồi lu thích hợp :
Cho R biến thiên (R >R
min
), với mỗi giá trị của R ta xác định đợc số đĩa lý thuyết tơng
ứng :

7

Phơng trình :
001569,0.
1729,6
11771,6
1729,6
1771,6729,6
1
1
1 +


+
+
=
+


+
+
= xx
R
f
x
R
fR
y

th
= 6,729 dựa vào đờng cân bằng và đờng làm việc, ta xác định đợc số đĩa lý
thuyết.
N
LT
=23
Trong đó : số đĩa đoạn chng :2
số đĩa đoạn luyện : 21

II. Đờng kính của tháp :
1/ Lu lợng trung bình các dòng pha đi trong tháp :
a/ Trong đoạn luyện :
Số liệu :
G
P
: Lợng sản phẩm đỉnh (P) = 4,889.10
-3
(kmol/s).
R : Hệ số hồi lu thích hợp = 6,729
G
R
: Lợng hồi lu = G
P
. R (kmol/s)
Lợng hơi ra khỏi đỉnh tháp g
đ
:
g
đ
= G

= G
1
+ G
P
(1)

Phơng trình cân bằng vật liệu với cấu tử dễ bay hơi (etylic) :
g
1
y
1
= G
1
x
1
+ G
P
x
P
(2)
Phơng trình cân bằng nhiệt lợng :
g
1
r
1
= g
đ
r
đ
(3)


===
===

)(kcal/kmol 9126)(kcal/kmolM.508 (kcal/kg) 508 r
)(kcal/kmol 9108)(kcal/kmol198.M (kcal/kg) 198 r
BB
AA

r
đ
= r
A
. y
đ
+ r
B
(1 - y
đ
) = 9108 . 0,8814 + 9126 .(1- 0,8814)
= 9110,1348 (kcal/kmol)
- Nhiệt độ sôi của hỗn hợp đầu (x = x
F
= 0,1436): t
F
= 84,6028C
Nội suy theo bảng r t
o
(I-301) với t
o

l
, g
l
, G
l
), ta đợc :
http://nuoc.com.vn9





=
=
=

1776,0
(kmol/s) 106,0
(kmol/s) 1011,0
1
1
1
y
g
G

Lợng hơi trung bình đi trong đoạn luyện :

R
tbL

b/ Trong đoạn chng :
Số liệu :
G
W
: Lợng sản phẩm đáy (W) = 0,0253 (kmol/s)
Lợng hơi đi vào đoạn chng
,
1
g
, nồng độ hơi
,
1
y
, lợng lỏng
'
1
G
đối với đĩa thứ nhất
của đoạn chng, nồng độ lỏng
,
1
x
, lợng hơi ra khỏi đoạn chng chính là lợng hơi đi
vào đoạn luyện g
1
:
Ta có

1
'
1
'
1
'
1
xGygxG +=
(2)
Phơng trình cân bằng nhiệt lợng :

11
'
1
'
1
rgrg =
(3)
r
l
: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi ra khỏi đoạn chng.
http://nuoc.com.vn10
r
l
= r
A
. y

)(kcal/kmol 8786)(kcal/kmol191.M (kcal/kg) 191 r
BB
AA

ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa chng thứ nhất :
r
l
= r
A
. y
l
+ r
B
(1 y
l
) = 8786.0,001569 + 9054 . (1 0,001569)
= 9050,596 (kcal/kmol)
(kmol/s)1014,0
596,9050
64,8660
.106,0)'3(
'
1
1
1
'
1
===
r
r

1267,0)0301,01011,0(
2
)(
'
11
=
++
=
++
=
GGG
G
F
tbC2/ Vận tốc hơi đi trong tháp :
Tốc độ khí đi trong tháp chóp xác định theo:
(
Y

.
Y

)
tb
=0,065.

.
[

1tb
1xtb
1tb
xtb
a1a1


+

=

[II.184]
Trong đó :
xtb

: Khối lợng riêng trung bình pha lỏng (kg/ m
3
)
1xtb

: Khối lợng riêng trung bình cấu tử 1 (kg/ m
3
)
2xtb

: Khối lợng riêng trung bình cấu tử 2 (kg/ m
3
)
1tb
a

xL1
= 737,5 (kg/m
3
)
xL2
= 974,8376 (kg/m
3
) [I.7]
Nồng độ khối lợng trung bình của Etylic đoạn luyện :

625,0
2
95,030,0
2
=
+
=
+
=
PF
tbL
aa
a


598,811
8376,974
625,01
5,737
625,0

aa


(kg/m
3
)
- Đoạn chng :
http://nuoc.com.vn12
Nồng độ trung bình pha lỏng đoạn chng :

0725,0
2
1436,0001569,0
2
=
+
=
+
=
FW
tbC
xx
x

Nội suy với x
tbC
theo bảng số liệu nồng độ t

=
+
=
+
=
FW
tbC
aa
a


0267,916
5537,967
17,01
727
17,0
1
1
1
21
=







+=


cL
= y
P
= x
P
= 0,8814
Nồng độ trung bình pha hơi đoạn luyện :
5295,0
2
8814,01776,0
2
=
+
=
+
=
cLdL
tbL
yy
y

Khối lợng mol trung bình hơi đoạn luyện :
yL
M
= y
tbL
.M
1
+(1- y
tbL

Nồng độ pha hơi đầu đoạn chng là :
01856,0
'
1
== yy
dC

Nồng độ pha hơi cuối đoạn chng là : y
cC
= y
1
= 0,1776
Nồng độ trung bình pha hơi đoạn luyện :
09808,0
2
1776,001856,0
2
=
+
=
+
=
cCdC
tbC
yy
y

Khối lợng mol trung bình hơi đoạn chng :

yC

)
Sức căng bề mặt tính theo công thức:

hh

1
=
1
1

+
2
1

[I.360]
Sức căng bề mặt của Nớc:
2

= 62,933.10
-3
(N/m) = 62,933
cm
dyn
[I.361]
Sức căng bề mặt của Etylic:
1

= 17,88.10
-3
(N/m) = 17,88

Vậy hệ số tính đến sức căng bề mặt
[
]


.
= 0,8
Chọn h = 0,45 (m)
Tốc độ khí của hơi đoạn luyện:

(
)
yy


.
tbl
= 0,065.

.
[
]

.
ytblxtbl
h

(Kg/m
2
.s)

(Kg/m
2
.s)
Thay số:
(
)
yy


.
tbc
= 0,065.0,8.
5333,1.0267,916.45,0
= 1,6341(Kg/m
2
.s)
http://nuoc.com.vn14
3/ §−êng kÝnh th¸p : tbyy
tb
)w(ρ
g
D 0188,0=
(m) [II.181]
Trong ®ã :

tbCtb
Mgg

(kg/h) 0231,16972
=

y
w
: VËn tèc h¬i trung b×nh ®i trong th¸p (m/s)
y
ρ
: Khèi l−îng riªng trung b×nh cña h¬i ®i trong th¸p (kg/m
3
)
⇒ §−êng kÝnh ®o¹n luyÖn :

(m) 78,1
3225,1
2641,11888
0188,00188,0 ===
LyL
tb
L
w
g
D
ρ

⇒ §−êng kÝnh ®o¹n ch−ng :


3/1
AB
BA
6-
20
x
)vv.( AB
M
1
M
1
. .101
D
+
+
=
(m
2
/s) [SCS.t12]
Trong đó :
A,B : Hệ số liên hợp của chất tan và dung môi : A= 2; B= 4,7
M
A
, M
B
: Khối lợng mol của Etylic và nớc (kg/kmol)
M
A
= 46(kg/kmol) ; M
B

6-
20
10.0376,2
)8,142,59.( 1.7,4.2
18
1
46
1
. .101

=
+
+
=
x
D
(m
2
/s)
Hệ số khuếch tán ở nhiệt độ xác định t:

[]
)20t(b1DD
20
x
t
x
+=
[SCS.t12]
Hệ số nhiệt độ :

C
= 1000 (kg/m
3
)
02,0
1000
12,0
3
== b

Hệ số khuếch tán trong pha lỏng đoạn chng : t = t
tbC
= 88,344C
[]
1010
10.822,4)20344,88(02,0110.0376,2

=+=
xC
D
(m
2
/s)
Hệ số khuếch tán trong pha lỏng đoạn luyện : t = t
tbL
= 79,9144C
[]
1010
10.479,4)209144,79(02,0110.0376,2


Trong đó :
M
A
, M
B
: Khối lợng mol của Etylic và Nớc (kg/kmol)
M
A
= 46 (kg/kmol) M
B
= 18 (kg/kmol)
v
A
, v
B
: Thể tích mol của Etylic và Nớc (cm
3
/mol)
v
A
= 59,2 (cm
3
/mol) v
B
= 14,8 (cm
3
/mol)
P : áp suất tuyệt đối của hỗn hợp : P = P
0
= 1 (atm)

http://nuoc.com.vn17
5
23/13/1
5,14
10.964,1
18
1
46
1
)182,59.(1
)9144,79273.(10.0043,0


=+
+
+
=
yL
D
(m
2
/s)

2/ Hệ số cấp khối :
a/ Độ nhớt của hỗn hợp hơi :

1

M
hh
: Trọng lợng phân tử của hỗn hợp khí :
- Đoạn chng :
4624,45==
yC
hh
MM
(kg/kmol)
- Đoạn luyện :
826,32==
yL
hh
MM
(kg/kmol)
M
1
, M
2
: Trọng lợng phân tử của Etylic và Nớc :
M
1
= 46 (kg/kmol) M
2
= 18 (kg/kmol)

1
,
2
: Độ nhớt của Etylic và Nớc :

2
)
Độ nhớt hỗn hợp hơi đoạn chng là :
5
1
33
10.1786,1
10.3226,0
18).9808,01(
10.0117,0
46.9808,0
.4624,45



=







+=
hh

(Ns/m
2
)
Độ nhớt hỗn hợp hơi đoạn luyện là :


b/ Độ nhớt của hỗn hợp lỏng :

21hh
lg).x1(lg.xlg

+

=
[I.93]
Trong đó :
x : Nồng độ phần mol của Etylic trong hỗn hợp :
- Đoạn chng : x = x
tbC
= 0,0725
- Đoạn luyện : x = x
tbL
= 0,5125

1
,
2
: Độ nhớt động lực của Etylic và Nớc :
- Đoạn chng : t = t
tbC
= 88,344C theo bảng và toán đồ (I-102):

1
= 0,37 (cP)
2

-3
) = - 3,4136

hh
= 3,856 . 10
-4
(Ns/m
2
)

c/ Chuẩn số Reynolt đối với pha hơi :

y
yy
y
. h .w
Re


=
[II.164]
Trong đó :
http://nuoc.com.vn19
y
w
: Tốc độ hơi tính cho mặt cắt tự do của tháp (m/s)
- Đoạn chng :

)/( 1336,1
3
mkg
yLy
==


y

: Độ nhớt trung bình của hơi (Ns/m
2
)
Chuẩn số Reynolt đối với pha hơi đoạn chng là :
5
5
10.3864,1
10.1786,1
6341,1
Re ==

y

Chuẩn số Reynolt đối với pha hơi đoạn luyện là :
5
5
10.8779,0
10.5036,1
3225,1
Re ==


xL
= 811,598 (kg/m
3
)
x
D
: Hệ số khuếch tán trung bình trong pha lỏng (m
2
/s)
http://nuoc.com.vn20
x
μ
: §é nhít trung b×nh cña láng (Ns/m
2
).
⇒ ChuÈn sè Pran ®èi víi pha láng ®o¹n ch−ng lµ :
9,678
10.,8224 . 16,02079
10.9988,2
Pr
10
4
==
−
−
x


y
D
: HÖ sè khuÕch t¸n trong pha h¬i (m
2
/s)
y
Re
: ChuÈn sè Reynolt ®èi víi pha h¬i.
⇒ HÖ sè cÊp khèi pha h¬i ®o¹n ch−ng lµ :
1094,0)110001,3865.10 . 79,0(
4,22
10.0348,2
5
5
=+=
−
yC
β
kmol
kmol
sm
kmol
2

⇒ HÖ sè cÊp khèi pha h¬i ®o¹n luyÖn lµ :
0704,0)110000,8779.10 . 79,0(
4,22
10.964,1
5
5

Trong đó :
x

: Khối lợng riêng trung bình của lỏng (kg/m
3
)
- Đoạn chng :
x
=
xC
= 916,0267 (kg/m
3
)
- Đoạn luyện :
x
=
xL
= 811,598 (kg/m
3
)
x
D
: Hệ số khuếch tán trung bình trong pha lỏng (m
2
/s)
x
M
: Khối lợng mol trung bình của lỏng (kg/kmol)
M
x

kmol
kmol
.s.m
kmol
2

Hệ số cấp khối pha lỏng đoạn luyện là :
032,019,1061.
1 . 2,353
4,479.10 . 811,598 . 38000
62,0
-10
==
xL

kmol
kmol
.s.m
kmol
23/ Hệ số chuyển khối Đờng cong động học Số đĩa thực tế :
http://nuoc.com.vn22
a/ Hệ số chuyển khối :

xy

b/ Số đơn vị chuyển khối đối với mỗi đĩa trong pha hơi :

P.273.w.3600
K P).T273.(4,22
G
f.K
m
y
y0tb
y
y
yT

+
==
[I.173]
Trong đó :
f : Diện tích làm việc của đĩa
f = F (f
h
.n + m.f
ch
)
f
h
: Mặt cắt ngang của chóp; chọn d
h
= 75mm



h
d
D
[II.236]
Thay số: n =
2
2
1000
75
8,1
.1,0






= 36
m: Số ống chảy truyền trên mỗi đĩa; chọn m = 1
f
ch
: Mặt cắt ngang ống chảy truyền;
Tỷ số
ữ= 2,005,0
F
f
ch
Chọn 06,0=
F
f

=
+
tbltbc
gg
= 0,1021(Kmol/s)
c/ Đờng cong động học :
Với mỗi giá trị x, tơng ứng có A là điểm thuộc đờng làm việc, C là điểm thuộc đờng
cân bằng và B là điểm thuộc đờng cong động học (cha biết), thì :
yT
m
y
eC
BC
AC
==

Cho x các giá trị : {0,05 ; 0,1 ; 0,2 ; 0,9}, với mỗi giá trị của x tính hệ số phân bố vật
chất m (m chính bằng hệ số góc của đờng cân bằng), tính hệ số chuyển khối
y
K
, tính số
đơn vị chuyển khối m
yT
và tỷ số C
y
tơng ứng. Từ đó tìm đợc các điểm B tơng ứng thuộc
đờng cong động học, nằm giữa A và C. Nối chúng lại ta đợc đờng cong động học của
quá trình.

Bảng tổng hợp kết quả :

21,88 22,42 16,19 11,03 6,897 4,12 2,576 1,36 0,389 0,39
http://nuoc.com.vn24

Từ đờng nồng độ làm việc và đờng cong động học vừa vẽ, ta tìm đợc số đĩa thực tế của
tháp.
N
TT
= 72
Trong đó : Số đĩa đoạn chng : 14
Số đĩa đoạn luyện : 58

4/ Hiệu suất tháp chiều cao tháp :
Hiệu suất tháp :
%94,31
72
23
===
TT
LT
N
N


Theo các thông số của đĩa đã chọn :
- Khoảng cách giữa các đĩa lỗ là : H
đ
= 450 mm

2
)
P
k
: Trở lực của đĩa khô (N/m
2
)
P
s
: Trở lực của đĩa do sức căng bề mặt (N/m
2
)
P
t
: Trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa (trở lực thủy tĩnh) (N/m
2
)
1/ Trở lực của đĩa khô :
http://nuoc.com.vn