Sv: Nguyễn Thị Ngát Lớp ĐH Hoá K1
PHẦN 1
MỞ ĐẦU
Kỹ thuật hiện đại có nhiệm vụ nghiên cứu các quá trình sản xuất sản phẩm
hoá học mới, cải tiến quá trình cũ nhằm tăng năng suất chất lượng trong các ngành
hoá học. Các phương pháp chế biến hoá học rất khác nhau nhưng nhìn chung các
quá trình chế biến hoá học đều trải qua một số quá trình vật lý, hoá học nói chung
như lắng, lọc, đun nóng, làm nguội, chưng luyện…
Chưng là phương pháp dùng để tách các hỗn hợp chất 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(ở cùng nhiệt độ, áp suất hơi của các cấu tử khác nhau). Khi chưng
ta thu được nhiều sản phẩm, thường có bao nhiêu cấu tử sẽ có bấy nhiêu sản phẩm.
Với trường hợp hỗn hợp gồm hai cấu tử sẽ có: sản phẩm đỉnh gồm cấu tử có độ bay
hơi lớn và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi bé, sản phẩm đáy gồm cấu tử có độ
bay hơi bé và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi lớn hơn.
Trong sản xuất có nhiều phương pháp chưng: chưng đơn giản, chưng bằng
hơi nước trực tiếp, chưng luyện,…
Chưng luyện là phương pháp chưng phổ biến nhất dùng để tách hoàn toàn
các cấu tử dẽ bay hơi có tính chất hoà tan một phần hoặc hoà tan hoàn toàn vào
nhau.
Clorofom và Cacbontetraclorua là một trong những sản phẩm của ngành
công nghiệp tổng hợp hữu cơ. Chúng được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp hoá
học nói chung cũng như công nghiệp hữu cơ nói riêng như trong công nghiệp hoá
dầu, dược phẩm, phẩm nhuộm,…
Thông thường trong công nghiệp hữu cơ CHCl
3
và CCl
4
ở dạng hỗn hợp nên
muốn sử dụng chúng người ta cần thiết phải tách riêng biệt chúng. Để thực hiện
điều này, người ta có thể tiến hành chưng luyện hỗn hợp trong các tháp chưng luyện

Chất lỏng đi từ trên xuống gặp hơi có nhiệt độ cao hơn, một phần cấu tử có
nhiệt độ sôi thấp( cấu tử dễ bay hơi ) được bốc hơi và do đó nồng độ cấu tử khó bay
hơi trong chất lỏng ngày càng tăng. Cuối cùng ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng
gồm hầu hết cấu tử khó bay hơi là CCl
4
.Thiết bị gia nhiệt 9 để đun sôi tuần hoàn và
bốc hơi hỗn hợp đáy tháp. Một phần chất lỏng tháo ra ở đáy nồi và được cung cấp
vào phần dưới của tháp. Một phần khác được tháo ra liên tục đưa vào thùng chứa
Đồ án hoá công Khoa công nghệ hoá
2
Sv: Nguyễn Thị Ngát Lớp ĐH Hoá K1
sản phẩm đáy 11 khống chế bằng các van. Nước ngưng tụ của các thiết bị gia nhiệt
được tháo qua các thiết bị tháo nước ngưng tự động 12.
Ở thiết bị chưng luyện này: hỗn hợp đầu vào liên tục và các sản phẩm đỉnh
và đáy lấy ra liên tục

Đồ án hoá công Khoa công nghệ hoá
3
Sv: Nguyễn Thị Ngát Lớp ĐH Hoá K1
PHẦN 3
TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH
I. Tính toán cân bằng vật liệu
• Năng suất đầu: G
F
=4,75 kg/s
• Nồng độ hỗn hợp đầu: a
F
=0,325
• Nồng độ sản phẩm đỉnh: a
P

: nồng độ % khối lượng của cấu tử dễ bay hơi và khó bay hơi.

BA
MM
,
; khối lượng phân tử của cấu tử dễ bay hơi và khó bay hơi

5,119
3
==
CHClA
MM
,
Ct
s
0
7,61=

154
4
==
CClB
MM
,
Ct
s
0
5,76=
Áp dụng công thức trên ta tính được;



43
3
1
CCl
P
CHCl
P
CHCl
P
P
M
a
M
a
M
a
x
−
+
=
=
154
98,01
5,119
98,0
5,119
98,0
−
+

a
M
a
x
=0,0256
Lượng hỗn hợp đầu tính theo kmol/s
F=
F
F
M
G
(kmol/s)
M
F
: khối lượng mol trung bình của hỗn hợp đầu (kmol/s)
43
).1(.
CClFCHClFF
MxMxM −+=
M
F
=0,3829.119,5+(1-0,3829).154=140,79 (kg/kmol)

F
=
F
F
M
G
=

(kg/s) [II-144,IX.17]
G
W
= G
F
- G
P
= 4,75 – 1,509 =3,241 (kg/s)
• Tính theo kmol/s: F = P + W
WPF
xWxPxF +=

0126,0
0256,09844,0
0256,03829,0
.0337,0. =
−
−
=
−
−
=
WP
WF
xx
xx
FP
(kmol/s)
W = F – P =0,0337 – 0,0126 = 0,0211(kmol/s)
3. Tính chỉ số hồi lưu tối thiểu.

R
−
−
=
*
*
min
[II-158, IX.24]
R
thích hợp
=
min
.R
β

)5.21( ÷
β
[II-158, IX.25a]
Từ đồ thị : y
*
=0.4988

19,4
3829,04988,0
4988,09844,0
min
=
−
−
=R

x
P
x
x
R
x
x
R
R
y
[II-144, IX.20]
Trong đó : x: nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng chảy từ
đĩa xuống
y: nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi đi từ dưới
lên đĩa

1123,7
9844,0
.
1123,7
123,7
+
+
+
= xy
y=0,877.x+0,121
5. Phương trình nồng độ làm việc của đoạn chưng .

W
xx


0256,0.
1123,7
6746,21
.
1123,7
6746,2123,7
+
−
+
′
+
+
=
′
xy

0053,0.206,1 −
′
=
′
xy
II. Tính đường kính tháp
Đường kính tháp được xác định theo công thức:

tbyy
tb
g
D
).(

:lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (kg/h)

1
g
:lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện (kg/h)
Lượng hơi đi vào đoạn luyện được xác định theo hệ phương trình cân bằng
vật liệu và nhiệt lượng sau:






=
+=
+=
dd
pp
P
rgrg
aGxGyg
GGg
11
1111
11
.
[IX.93,94,95]
F
g
1

d
r
:ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp đi khỏi đỉnh tháp (kcal/kmol)
Ta có:
ba
ryyrr )1(
111
−+=
Đồ án hoá công Khoa công nghệ hoá
8
Sv: Nguyễn Thị Ngát Lớp ĐH Hoá K1

bddad
ryyrr )1( −+=
ba
rr ,
:ẩn nhiệt hoá hơi của CHCl
3
và CCl
4
(kcal/kmol)
1
y
:hàm lượng hơi đi trong đoạn luyên
d
y
:hàm lượng hơi trên đỉnh tháp
98,0===
FPd
ayy

CHCl
r
=59,1 (kcal/kg)
r
CHCl3(100)
=55,2 (kcal/kg)
⇒

tFCHCl
r
,3
23,581,59)609249,68(
60100
1,592,55
=+−
−
−
=
(kcal/kg)
r
CHCl3,tP
=
0143,591,59)608789,60(
60100
1,592,55
=+−
−
−
(kcal/kg)


CCl4,tP
=
2,48)608789,60(
60100
2,483,44
+−
−
−
=48,1143 (kcal/kg)

tWCCl
r
,4
=
6142,462,48)602645,76(
60100
2,483,44
=+−
−
−
(kcal/kg)
Đồ án hoá công Khoa công nghệ hoá
9
Sv: Nguyễn Thị Ngát Lớp ĐH Hoá K1
⇒
r
1
=r
a
y

=58,7963 (kcal/kg)
Thay các giá trị vào hệ phương trình ta được:

⇒





=
+=
+=
dd
pp
P
rgrg
aGxGyg
GGg
11
1111
11
.
⇒





=+
+=

1
=10,9002.0,3958+47,3298=51,6444 (kcal/kg)
⇒
Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện:

2
1
gg
g
d
tb
+
=
=
10645,13
2
2576,129553,13
=
+
( kg/s)
b.Tính khối lượng riêng trung bình đối với pha hơi
273.
.4,22
)1(
4131
T
MyMy
CCltbCHCltb
ytb
−+

3829,09844,0
2
=
+
=
+
PF
xx
Ứng với x
tb
=0,68365 (tra từ đồ thị t-x-y) ta được t
tb
=64,1194
0
C
y
d1
=y
P
=x
P
=0,9844
y
c1
=y
1
=0,3958 (kg/kg)
Đổi y
1
từ phần khối lượng sang phần mol:

T=273+64,1194=337,1194K
Vậy ta có:

273.
.4,22
)1(
4131
T
MyMy
CCltbCHCltb
ytb
−+
=
ρ
=
273.
1194,337.4,22
154).7211,01(5,119.7211,0 −+

=4,668 (kg/m
3
)
c.khối lượng riêng trung bình của pha lỏng.

2
1
1
1
1
1

=
6525,0
2
325,098,0
2
F
=
+
=
+ aa
P
Với t
tb
=64,1194
0
C ta có
Đồ án hoá công Khoa công nghệ hoá
11
Sv: Nguyễn Thị Ngát Lớp ĐH Hoá K1
525,1507
61,1404
2
1
=
=
xtb
xtb
ρ
ρ
( kg/m

ytb
ρ
:là khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha hơi tính theo
nhiệt độ trung bình (kg/m
3
)
h :khoảng cách giữa các đĩa (m)
Giá trị h chọn theo đường kính tháp, chọn h=0,6m
Với t
tb
=64,1194
0
C tra bảng
7,21)60(
0
3
=C
CHCl
σ
(đyn/cm)
19)80(
0
3
=C
CHCl
σ
(đyn/cm)
1439,217,21)601194,64(
2080
7,2119

4
=+−
−
−
=⇒ C
CCl
σ
(đyn/cm)

⇒

8233,21
6525,01
1439,21
6525,0
1
1
4
1
3
1
−
+=
−
+=
CCL
tb
CHCL
tb
aa

g
D
).(
0188,0
ωρ
=
= 0,0188
1262,4
3600.10645,13
=2,01(m)
Quy chuẩn D=2m
f. Tính lại tốc độ hơi.

8843,0
668,4.01,2
3600.10645,13.0188,0
.
.0188,0
2
2
2
2
===
ytb
tb
ytb
D
g
ρ
ω

g
Tính theo hệ phương trình:






=
′′
=
′′
+
′
=
′′
+
′
=
′
1111
111
11
.
rgrgrg
aGygxG
GgG
nn
WWW
W

154
0349,01
5,119
0349,0
5,119
0349,0
1
=
−
+
=
′
y
kg/kg
4
11
3
1
)1(.
CClCHCl
ryyrr
′
−+
′
=
′
(tw)
=57,51.0,0445+(1-0,0445)46.6142=47,099 (kcal/kg)
n
r

111
11
g
gxG
gG

⇒






=
′
=
′
=
′
)/(0402,0
)/(5431,18
)/(3021,15
1
1
1
kgkgx
skgG
skgg

2

Tra từ đồ thị t-x-y ta được t
tb
=72,5135
0
C

2
11 cd
tb
yy
y
+
=
y
d1
,y
c1
:nồng độ phần mol của CHCl
3
trong pha hơi ở hai đầu đoạn chưng
y
d1
=
0349,0=
W
y
y
c1
=y
1

(kg/m
3
)
c.Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (đoạn chưng).

1725,0
2
02,0325,0
2
F
1
=
+
=
+
=
W
tb
aa
a
Với t
tb
=72,5135
0
C nội suy ta được:
22,1488
6,1391
2
1
=

xtb
ρ
kg/m
3
t
tb
=72,5135
0
C

648,20
01,20
4
3
=
=⇒
CCl
CHCl
σ
σ
(đyn/cm)
648,20
1725,01
01,20
1725,0
1
1
4
1
3

D
).(
0188,0
ωρ
=
=0,0188.
37415,4
3600.6287,14
=2,06(m)
Quy chuẩn D=2m
Đồ án hoá công Khoa công nghệ hoá
15
Sv: Nguyễn Thị Ngát Lớp ĐH Hoá K1
f.Tính lại lượng hơi đi trong tháp.

8546,0
1323,5.06,2
3600.6287,14.0188,0
.
.0188,0
2
2
2
2
===
ytb
tb
ytb
D
g

11

µµµ
MmMm
M
hh
hh
+=
[I-85]
M
hh
,M
1
,M
2
:khối lượng mol của hỗn hợp khí và cấu tử trong hỗn hợp.
21
,,
µµµ
hh
:độ nhớt tương ứng
m
1
,m
2
:phần thể tích của các cấu tử trong hỗn hợp.
M
hh
=y
tb

µ
(Ns/m
2
)

7
4
10.389,111108)501194,64(
50100
108120
−
=+−
−
−
=
CCl
µ
(Ns/m
2
)
77
10.389,111
154.2789,0
10.236,114
5,119.7211,022,129
−−
+=⇒
hh
µ
7

tb
=64,1194 tra bảng I .101,trang 91 HCI ta được:
Nội suy:

3
3
10.3776,039,0)601194,64(
6080
39,033,0
−
=+−
−
−
=
CHCl
µ
(Ns/m
2
)

3
4
10.5657,055,0)601194,64(
6080
55,0472,0
−
=+−
−
−
=

)
1.2 Hệ số khuếch tán của khí vào hơi.

BA
BA
y
MM
VVp
T
D
11
)(
.10.0043,0
23/13/1
5,14
+
+
=
−
(m
2
/s) [II -T118]
M
A
,M
B
: khối lượng mol của CHCl
3
,CCl
4

B
=V
CCl4
=1.14,8+4.22,6=113,2 (cm
3
/mol)
Vậy:

154
1
5,119
1
)2,1133,92(1
1194,337.10.0043,0
23/13/1
5,14
+
+
=
−
y
D
=3,706.10
-6
m
2
/s
Đồ án hoá công Khoa công nghệ hoá
17
Sv: Nguyễn Thị Ngát Lớp ĐH Hoá K1

µ
ρω

Re =
y
ω
:vận tốc hơi tính cho mặt cắt tự do của tháp

y
ω
=0,8843m/s
h: kích thước dài, chấp nhận h=1m
y
ρ
: khối lượng riêng trung bình của pha hơi

)/(668,4
3
mkg
ytb
=
ρ

7
10.2729,113
−
=
y
µ
( NS/m


kmol
kmol
sm
kmol
2
b.Hệ số cấp khối của pha lỏng

62,0
Pr.
.
38000
x
x
xx
x
hM
D
ρ
β
=










/74,1438 mkg
xtbx
==
ρρ
D
x
: hệ số khuếch tán trung bình của pha lỏng.

[ ]
)20(1
20
−+= tDD
x
[VIII-15]
b=0,017 (tra bảng VIII-8)
D
20
=D
AB
được xác định như sau:

23/13/1
6
20
)(
11
10.1
BAB
BA
BA

3
/mol)
Ta có: A=1,B=0,94
V
A
=92,3(cm
3
/mol)
V
B
=113,2(cm
3
/mol)

B
µ
=0,97cp (I-101-HCI-T91)

9
23/13/1
6
20
10.504,1
)2,1133,92(97,094,0.1
154
1
5,119
1
10.1
−

=
Pr
x
: chuẩn số pran đối với pha lỏng
x
µ
:độ nhớt trung bình của lỏng (Ns/m
2
)=4,2922.10
-4
(Ns/m
2
)
x
ρ
:khối lượng riêng trung bình của pha lỏng

⇒

3474,113
10.632,2.74,1438
10.2922,4
Pr
9
4
==
−
−
x
Đồ án hoá công Khoa công nghệ hoá

+
=
+
=
ββ
[IX-93]
m
i
: hệ số phân bố vật chất phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất, nồng độ.
1.5 Tính đường kính ống chảy chuyền.

ccx
xtb
c
z
g
d
3600
.4
ωρπ
=
[IX-217]
g
xtb
: lưu lượng lỏng đi trong đoạn luyện (kg/h)

2
1 x
xtb
GG

3
z
c
: số ống chảy chuyền phụ thuộc vào đường kính tháp, chọn z
c
=1
c
ω
:tốc độ chất lỏng trong ống chảy chuyền
Chọn
c
ω
=0,2m/s

md
c
23,0
1.2,0.74,1438 3600
82,41750.4
==⇒
π
Quy chuẩn:d
c
=0.2m
1.6 Tính số đơn vị chuyển khối.

ytb
Ly
yt
g

F: diện tích mặt bề mặt cắt ngang của tháp.
2
22
1415,3
4
0,2.
4
.
m
D
F ===
ππ
f
ch
: diện tích mặt cắt ngang của ống chảy chuyền.
2
2
2
0314,0
4
2,0.
4
.
m
d
f
c
ch
===
π

2
2
===
h
d
D
n
[IX-212]
Quy chuẩn: n=40
m: số ống chảy chuyền trên mỗi đĩa, chọn m=1
2
8,2)40.00785,01.0314,0(1415,3 mf
L
=+−=
i
i
yy
ytb
Ly
yT
m
m
KK
g
fK
m
+
=
+
====

t
c
=72,5135
0
C
2.1 Độ nhớt.
a. Pha hơi.
Đồ án hoá công Khoa công nghệ hoá
21
Sv: Nguyễn Thị Ngát Lớp ĐH Hoá K1
Ở t
c
=72.5135
0
C tra bảng I-113 và nội suy ta được:
27
3
/10.754,116110)505135,72(
50100
110125
mNs
CHCl
−
=+−
−
−
=
µ
27
4

tb
=0,24635
m
2
=1-y
tb
=0,75365
77
10.403,113
154.75365,0
10.754,.116
5,119.24635,05,145
−−
+=⇒
µ

27
/10.0647,114 mNs
y
−
=⇒
µ
b. Xét pha lỏng.
Với t
tb
=72,5135
0
C tra bảng I-101và nội suy ta dược:
23
3

=0,79575
24
33
/10.775,4
10.5162,0lg79575,010.3525,0lg20425,0lg
mNs
hh
hh
−
−−
=⇒
+=
µ
µ
2.2 Hệ số khuếch tán của khí vào hơi.

BA
BA
y
MM
VVp
T
D
11
)(
.10.0043,0
23/13/1
5,14
+
+

5135,345.10.0043,0
26
23/13/1
5,14
−
−
=
+
+
=
2.3 Hệ số cấp khối.
a. Pha hơi:tính cho 1m
2
diện tích bề mặt làm việc của đĩa

)11000Re.79,0(
4,22
+=
y
y
y
D
β
kmol
kmol
sm
kmol
2
[IX-42]


b.Pha lỏng.
62,0
Pr.
.
38000
x
x
xx
x
hM
D
ρ
β
=
kmol
kmol
sm
kmol
2
[IV-44]

[ ]
)20(1
20
−+= tDD
x
[VIII-15]
b=0,017 (tra bảng VIII-8)
D
20

=
+
+
+
+
==
µ
[VIII-14]
[ ]
smD
x
/10.8467,2)205135,72(017,0110.504,1
299 −−
=−+=⇒
0602,114
10.8467,2.61,1470
10.775,4
.
Pr
9
4
===⇒
−
−
xx
x
x
D
ρ
µ

0204,0054,0
1
1
1
1
i
x
i
y
y
mm
K
+
=
+
=
ββ
2.5 Tính đường kính ống chảy chuyền.

ccx
xtb
c
z
g
d
3600
.4
ωρπ
=
(m) [IX-217]

π
Quy chuẩn:d
c
=0,2m
2.6 Tính số đơn vị chuyển khối.

ytb
Ly
yt
g
fK
m
.
=
[IX-65a]
g
ytb
: lượng hơi trung bình của đoạn luyện (kmol/s)
g
ytb
=14,6287kg/s=
)/(10054,0
5,145
6287,14
skmol=
K
y
: hệ số chuyển khối (kmol/m
2
s)

m
d
f
c
ch
===
π
π
Đồ án hoá công Khoa công nghệ hoá
24
Sv: Nguyễn Thị Ngát Lớp ĐH Hoá K1
d
h
: đường kính của ống hơi, chọn d
h
=0,1m
2
2
2
00785,0
4
1,0.
4
.
m
d
f
h
h
===

m
m
KK
g
fK
m
+
=
+
====⇒
3778,0
6095,0
0204,0054,0
1
1
.875,29.875,29
10054,0
8,2
.
.
IV Tính số đĩa thực tế của tháp. (theo đường cong động học)
• Vẽ đường cong cân bằng y
cb
=f(x)
• Vẽ đường làm việc của đoạn chưng, đoạn luyện với R
th
• Phương trình đoạn chưng: y=1,206x-0,0053
• Phương trình đoạn luyện: y=0,877x+0,121
• Dựng các đường thẳng vuông góc ox tai các điểm có hoành độ:0,0256; 0,05;
0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8 ;0,9; 0,9844

4186,0
5848,0

i
C
yT
m
m
+
=
3778,0
6095,0
yT
m
yT
eC =
yT
C
AC
BC =
x y y
cb
x
cb
m
i
m
yT
C
yT