ĐỒ ÁN MÔN HỌC - TRANG1 - CHƯNG LUYỆN LIÊN TỤC
MỤC LỤC

PHẦN I : TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ:
I. - MỞ ĐẦU
II. - T ÍNH CH ẤT HOÁ-LÝ C ỦA AXETON – METANOL
1. Một số tính chất của Metanol
2.Một số tính chất của Axeton III
-TỔNG QUAN VỀ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ
PHẦN II : TÍNH TOÁN THIẾT BỊ :
A - CÂN BẰNG VẬT LIỆU VÀ NHIỆT LƯỢNG:
I - CÂN BẰNG VẬT LIỆU
1. Thông số ban đầu
2. Tính cân bằng vật liệu
3. Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng và đoạn luyện
4. Xác định số đĩa của tháp chưng luyện
II - CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG
1. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng
2. Cân bằng nhiệt lượng cho toàn tháp
3. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ
4. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm lạnh

B - THÔNG SỐ CHÍNH CỦA THÁP:
I - ĐƯỜNG KÍNH THÁP
1. Đường kính đoạn luyện
2. Đường kính đoạn chưng
II - CHIỀU CAO THÁP
1. Chiều cao đoạn luyện
2. Chiều cao đoạn chưng
III - TÍNH TRỞ LỰC
1. Trở lực đoạn luyện

toàn vào nhau , ta có thể sử dụng nhiều phương pháp khác nhau như : hấp thụ , hấp phụ , trích ly,
chưng cất ....Mỗi phương pháp điều có những đặc thù riêng và có những ưu nhược điểm nhất định .
Việc lựa chọn phương pháp và thiết bị cho phù hợp tùy thuộc vào hổn hợp ban đầu , yêu cầu sản
phẩm và điều kiện kinh tế.
Đối với hỗn hợp Axeton - Metanol là hỗn hợp 2 cấu tử tan hoàn toàn vào nhau theo bất kỳ tỷ lệ
nào (hỗn hơp đẳng phí) và có nhiệt độ sôi khác biệt nhau ở cùng điệu kiện áp suất . Do đó phương
pháp tối ưu để tách hỗn hợp trên là chưng cất . Phương pháp này dựa vào độ bay hơi khác nhau giữa
các cấu tử bằng cách thực hiện quá trình chuyển pha và trao đổi nhiệt giữa 2 pha lỏng- khí . Sản phẩm
đỉnh thu được gồm cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần cấu tử có độ bay hơi thấp hơn . Còn sản
phẩm đáy thu được chủ yếu là cấu khó bay hơi và một phần cấu tử dễ bay hơi .
Quá trình chưng cất cũng có nhiều phương pháp khác nhau như : chưng đơn giản : dùng để tách
các cấu tử có độ bay hơi khác biệt nhau . Nó dùng để tách sơ bộ và làm sạch cấu tử khỏi tạp chất ;
chưng chân không : dùng trong trường hợp cần hạ thấp nhiệt độ sôi của cấu tử do cấu tử dễ phá hủy

Sinh viên thực hiện: ĐÀ NẴNG-2005 giáo viên hướng dẫn:
LÊ THỊ LIỀN NGUYễN THANH SơN
ĐỒ ÁN MÔN HỌC - TRANG3 - CHƯNG LUYỆN LIÊN TỤC
nhiệt hay có nhiệt độ sôi quá cao ; chưng bằng hơi nước trực tiếp : dùng để tách các hổn hợp gồm
các chất khó bay hơi và tạp chất khong bay hơi ; chưng luyện :là phương pháp phổ biến nhất để tách
hoàn toàn hổn hợp các cấu tử dẽ bay hơi có tính chất hòa tan một phần hay hoàn toàn vào nhau theo
bất kỳ tỉ lệ nào bằng các thiết bị khác nhau như : tháp đĩa , tháp đệm, tháp chóp ...Đối với hổn hợp
trên , ta nên dùng thiết bị chưng tháp đệm .
Hiện nay tháp đệm được sử dụng rộng rãi bới có nhiều ưu điểm : hiệu suất cao vì bề mặt tiếp
xúc lớn, giới hạn làm việc tương đối rộng, thiết bị đơn giản gọn nhẹ dễ tháo rời dễ sửa chữa ,trở lực
không cao nhưng làm việc ổn định và chưng được sản phẩm đòi hỏi có độ tinh khiết cao . Tháp đệm
có thể làm việc ở áp suất thường và áp suất chân không , làm việc liên tục hoặc gián đoạn . Cấu tạo ,
kích thước và loại đệm tùy thuộc vào chế độ làm việc ,yêu cầu độ tinh khiết sản phẩm .
Tuy nhiên tháp đệm cũng có những mặt hạn chế sau : khó làm ướt đều đệm . Nếu tháp quá cao thì
phân phối chất lỏng không đều .
Để khắc phục nhược điểm trên , người ta chia đệm ra nhiều tầng và có đặt thêm đĩa phân phối

C, đông đặc ở nhiệt độ -95,5
o
C.
Axeton có công thức phân tử CH
3
COCH
3
, M=58.
Phương pháp quan trọng để điều chế Axeton là: oxy hóa rượu iso propanol
CH
3
CH(OH)CH
3
CH
3
COCH
3
+ H
2
O
Về mặt hóa học : có cấu tạo tương tự anđêhít , axeton tham gia phản ứng cộng H
2
và natrihyđro
sun fit (NaHSO
3
) nhưng không tham gia tráng gương với AgNO
3
và Cu(OH)
2
,tuy nhiên có thể bị oxy

A-CÂN BẰNG VẬT LIỆU VÀ NHIỆT LƯỢNG:
I- CÂN BẰNG VẬT LIỆU:
1-THÔNG SỐ BAN ĐẦU:
GỌI: F:lưu lượng hổn hợp đầu kg/h- kmol/h
P: lưu lượng sản phẩm đỉnh kg/h- kmol/h
W: lưu lượng sản phẩm đáy kg/h- kmol/h
a
F
: nồng độ cấu tử dễ bay hơi hỗn hợp đầu % khối lượng
a
P
:

nồng đô cấu tử dễ bay hơi sản phẩm đỉnh % khối lượng
a
W
: nồng độ cấu tử dễ bay hơi sản phẩm đáy % khối lượng
x
F
:nồng độ cấu tử dễ bay hơi hổn hợp đầu % mol
x
P
:nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đỉnh % mol
x
W
:nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy % mol
ký hiệu: Axeton :A, M
A
= 58
Methanol:B,M

(2)
G
F
a
F
= G
P
a
P
+ G
W
a
W

Từ (1) và (2) suy ra:

Sinh viên thực hiện: ĐÀ NẴNG-2005 giáo viên hướng dẫn:
LÊ THỊ LIỀN NGUYễN THANH SơN
ĐỒ ÁN MÔN HỌC - TRANG5 - CHƯNG LUYỆN LIÊN TỤC

Hay
FP
W
WF
P
WP
F
aa
G
aa

- G
P
= 15000 - 6000 = 9000 (kg/h)

Tính nồng độ phần mol dựa vào nồng độ phần khối lượng:

i
ik
k
k
k
M
a
M
a
x
Σ
=

Thành phần mol trong hổn hợp đầu:
206,0
32
32,01
58
32,0
58
32,0
1
=
−

=
−
+
=
−
+
=
B
P
A
p
A
P
P
M
a
M
a
M
a
x
(phần mol)
Thành phần mol trong sản phẩm đáy:
011,0
32
02,01
58
02,0
58
02,0

A
+ (1- x
F
)M
B
= 0,206*58 +(1-0,206)*32 = 37,356 kg/kmol
Trong sản phẩm đỉnh:
M
P
= x
P
M
A
+ (1- x
P
)M
B
= 0,648*58 + (1-0,648)*32 = 48,848 kg/kmol
Trong sản phẩm đáy:
M
W
= x
W
M
A
+ (1- x
W
)M
B
= 0,011*58 + (1-0,011)*32 = 32,286 kg/kmol

G
6000/48,848 = 122,83 kmol/h
W =
=
M
G
9000/32,286 = 278,758 kmol/h
Như vậy ta có bảng tổng kết thành phần sản phẩm như sau:
Phần khối lượng Phần mol Lưu lượng kg/h Lưu lượng kmol/h
Hổn hợp đầu: 0,32 0,206 15000 401,54
Sản phẩm đáy: 0,77 0,648 6000 122,83
Sản phẩm đáy: 0,02 0,011 9000 278,758
3- PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG NỒNG ĐỘ LÀM VIỆC CỦA ĐOẠN LUYỆN VÀ ĐOẠN CHƯNG
a/ Đoạn luyện :
Để đơn giản tính toán ta thừa nhận những giả thiết sau:
- Số mol của pha hơi đi từ dưới lên bằng nhau trong tất cả mọi tiết diện của tháp.
- Hỗn hợp đầu đi vào tháp ở nhiệt đọ sôi
- Chất lỏng ngưng trong thiết bị ngưng tụ có thành phần bằng thành phần hơi đi ra khỏi
đỉnh tháp
- Đun sôi ở đáy tháp bằng hơi đốt gián tiếp.
- Số mol chất lỏng không thay đổi theo chiều cao trong đoạn chưng và đoạn luyện .
Ta có phương trình cân bằng vật liệu đối với đọan luyện :
G
y
= G
x
+ P
Với: G
y
: lưu lượng pha hơi đi từ dưới lên ( kmol/h)


y
p
n
y
x
n
S
x
x
S
R
y
+=
+
1
với Rx =
P
G
x
chỉ số hồi lưu

1
+==
x
y
y
R
P
G

x
= Gy + W
với G
,
x
= Gx + P lượng lỏng trong đoạn chưng từ trên xuống
W : lưu lượng sản phẩm đáy (kmol/h)
F : lưu lượng hổn hợp đầu (kmol/h)
Phương trình cân bằng vật viết cho cấu tử Axeton :
Wnynx
WxyGxG
+
′
=
′′
+
1
Suy ra
W
x
n
x
x
n
x
R
L
x
R
LR

1
',
1
'
+
−
−=
+
+
=
xx
x
R
L
B
R
LR
A
Hai đường làm việc này cắt nhau tại điểm có hoành độ x = x
F

4- XÁC ĐỊNH SỐ BẬC THAY ĐỔI NỒNG ĐỘ :
a-Thành phần của hỗn hợp 2 cấu tử Axeton-Metanol

x 0,0 0,091 0,190 0,288 0,401 0,501 0,579 0,687 0,756 0,840 0,895 0,945 1,00
y 0,0 0,177 0,312 0,412 0,505 0,578 0,631 0,707 0,760 0,829 0,880 0,946 1,00
t 64,65 61,78 59,60 58,14 56,96 56,22 55,78 55,41 55,29 55,37 55,54 55,92 56,21

Bảng thành phần cân bằng lỏng hơi và nhiệt độ sôi của hổn hợp 2 cẩu tử ở áp suất 760 mmHg
(theo Perry’s Chemical Handbook)

*
min
=
−
−
=
−
−
=
F
F
F
p
X
xy
yx
R
Với x
P
nồng độ phần mol của Axeton ở sản phẩm đỉnh .
x
F
nồng độ phần mol của Axeton ở hổn hợp đầu
y
*
F
nồng độ phần mol trong pha hơi nằm cân bằng pha lỏng ở hổn hợp đầu

Sinh viên thực hiện: ĐÀ NẴNG-2005 giáo viên hướng dẫn:
LÊ THỊ LIỀN NGUYễN THANH SơN

Ta vẽ đường làm việc của đoạn luyện và đoạn chưng theo cac điểm đặc biệt sau:
+Đường làm việc đoạn luyện:
Theo giả thiết thì thành phần cấu tử dễ bay hơi trong chất lỏng ngưng tụ đi vào tháp bằng thành
phần cấu tử dễ bay hơi từ đỉnh tháp đi ra.Do đó đĩa trên cùng thì y=x và phương trình đường làm
việc đĩa trên cùng là :
Y=Ax+B
Thay giá trị A và B giải ra ta có y=x
p
Điều đó chứng tỏ rằng điếm M(x,y) trên cùng của đưòng làm việc đoạn luyện có toạ độ y=x=x
p

Và điểm thứ hai có toạ độ B(0,
1
+
x
p
R
x
) đã xác định ở trên.
+Đường làm việc đoạn chưng:
Ta có thể coi nồng độ ở đĩa cuối cùng của đoạn chưng bằng nồng độ đáy x
w

Tương tự thay A và B vào phương trình x=Ay+B của đoạn chưng ta tìm ra điểm cuối cùng của
đưòng nồng độ làm việc của đoạn luyện tại điểm có hoành độ x
f
, tung độ phụ thuộc chỉ số hồi lưu R
x
.
Cách xác định số đĩa lý thuyết theo phưong pháp số bậc thay đổi nồng độ bằng đồ thị x-y như

Số ngăn lý thuyết đoạn luyện là : 6
Số ngăn lý thuyết đoạn chưng là: 4
ĐỒ THỊ XÁC ĐỊNH SỐ BẬC THAY ĐỔI NỒNG ĐỘ :

Sinh viên thực hiện: ĐÀ NẴNG-2005 giáo viên hướng dẫn:
LÊ THỊ LIỀN NGUYễN THANH SơN
ĐỒ ÁN MÔN HỌC - TRANG10 - CHƯNG LUYỆN LIÊN TỤC
d-Xác định số ngăn thực tế :

N
TT
=
tb
L
N
η
với
3
321
ηηη
η
++
=
tbtb
η
: là hàm phụ thuộc vào độ bay hơi tương đối
α

−
−
=
F
F
F
x
x
y
y
α
; với x
F
=0,206; y
*
F
= 0,3283
Trong sản phẩm đỉnh :
51,1
1
1
*
*
2
=
−
−
=
P
P

x
y
y
α
, với x
W
= 0,011; y
*
W
= 0,02139
Xác định độ nhớt của hổn hợp theo nhiệt độ :
Trước hết ta xác định độ nhớt của Axeton và Metanol theo nhiệt độ dựa vào bảng I .101 trang 91
sổ tay QT & TBCNHH tập I
Nhiệt độ
o
C Độ nhớt C
3
H
6
O Độ nhớt CH
3
COOH

Sinh viên thực hiện: ĐÀ NẴNG-2005 giáo viên hướng dẫn:
LÊ THỊ LIỀN NGUYễN THANH SơN
ĐỒ ÁN MÔN HỌC - TRANG11 - CHƯNG LUYỆN LIÊN TỤC
t
F
=59,36
µ

lg
µ
A
+ x
B
lg
µ
B

Do đó ta có :

BFFAFF
xx
µµµ
lg)1(lglg
1
−+=
= 0,206lg0,232 + (1-0,206)lg0,352 = -0,490

→
1
µ
= 0,612

-0,548 3650,648)lg0,-(1 450,648lg0,2lg)1(lglg
2
=+=−+=
BFPAFP
xx
µµµ

333
=→==
ηαµ
32,1
,
2
ηηη
xác định bằng đồ thị trang 171 sổ tay quá trình thiết bị và công nghệ hóa chất
tập II .
Suy ra hiệu suất làm việc của tháp:
%49
3
475248
3
321
=
++
=
++
=
ηηη
η
số ngăn thực tế đoạn luyện :
N
l
=6/0,49 =12 ngăn
Số ngăn đoạn chưng :
N
c
=4/0,49= 8 ngăn

: nhiệt lượng do sản phẩm đỉnh mang ra J/h
Q
D2
:nhiệt lượng cần đun nóng sản phẩm đáy J/h
Q
W
: nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra J/h
Q
m2
: nhiệt lượng mất mát trong tháp chưng luyện J/h
Q
ng1
, Q
ng2
:nhiệt do nước ngưng mang ra J/h

Sinh viên thực hiện: ĐÀ NẴNG-2005 giáo viên hướng dẫn:
LÊ THỊ LIỀN NGUYễN THANH SơN
H
2
O
H
2
O
H
2
O
H
2
O

f
= Q
f
, + Q
m
+ Q
ng1

Q
D1
=D
1
1
λ
= D
1
(r
1
+
1
θ
C
1
)
với :
D
1
:lượng hơi đốt mang vào Kg/h
1
λ

1
Q
f
= F t
f
C
f
Q
f
, =F t
f
,C
f
,
t
f
, :nhiệt độ üsôi của hổn hợp đầu ở áp suất khí quyển
o
C
t
f
: nhiệt độ hổn hợp đầu
o
C , chọn t
f
=25
o
C
Suy ra:


B
25
tra trong bảng I-153trang 171 STQT&TBCNHC tập I :
C
A
25
= 2195 J/kgđộ
C
B
25
=2595 J/kgđộ
C
f
25
= 2195*0,32 +2595*(1-0,32) =2467 J/kgđộ
Q
f
=F C
f
t
f
= F*25*2088,21 =F*52205,15 J/kgđộ
Tương tự ta có nhiệt dung riêng của hổn hợp đầu ở nhiệt độ sôi t
f
, = 59,36
o
C
C
f
,

1
= 2264* 10
3
J/kg
(bảng I-125 trang 314 sổ tay QTTB&CNHC tập I)
vậy
)/(07,651
10*2267*95.0
25*246736,59*7,2611
15000
3
hKgD
=
−
=
2-CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG CHO TOÀN THÁP:

222 mngWyDRxf
QQQQQQQ
+++=++
′
a/Nhiệt lượng do hổn hợp đầu mang vào tháp:
)/(232545768015000*36,59*7,2611 hJGtCQ
Ffff
==
′′
=
′
b/Nhiệt lượng do hơi nước mang vào đáy tháp:


R
x
C
x
t
x
(với
P
G
R
x
x
=
)
t
x
= t
P
= 55,54
o
C
C
55,54
x
:nhiệt dung riêng của hổn hợp sau khi ngưng tụ tại sản phẩm đỉnh (J/Kg độ)
C
55,54
x
được tính theo công thức sau
C

Suy ra Q
Rx
= 6000*4,7*2393,86*55,54 = 3749330,56 J/h
d/ Nhiệt lượng do hơi mang ra :
hhxPhhyy
RGGQ
λλ
)1(
+==
hh
λ
: nhiệt lượng riêng của hổn hợp hơi ở đỉnh tháp :
PPPPPhh
tCraa
+=−+=
21
)1(
λλλ
1
λ
: hàm nhiệt của Axeton ở 55,54
o
C
2
λ
: hàm nhiệt của Metanol ở 55,54
o
C
C
P

A
= 552,93 *10
3
J/Kg
r
B
= 1116,2 *10
3
J/Kg
)/(10*38,65910*2,1116*)77,01(77,0*10*93,552
333
kgJr
P
=−+=⇒
Suy ra
hh
λ
= r
P
+ C
P
t
P
=659,38*10
3
+ 2393,86*55,54 = 792335 J/Kg
Vậy Q
y
= G
P

: tra bảng I - 153 trang 171 sổ tay QT&TBCNHH tập I bằng phương pháp nội suy
ở nhiệt độ 64,303
o
C :
C
A
= 2318,985 J/kgđộ
C
B
= 2781,515 J/kgđộ
Suy ra C
W
= 2318,985*0,02 + 2781,515*(1-0,02) = 2772,26 J/kgđộ
Vậy Q
W
=9000*2772,26*64,303 = 1604381713 J/h
f/ Nhiệt lượng do nước ngưng mảng ra :

2222
θ
CDQ
ng
=
J/h
g/ Nhiệt lượng do tổn thất ra môi trường xung quanh :
Q
m2
= 0,95D
2
r

P ( R
x
+ 1 ) r = G
n1
C
n
(t
2
- t
1
) công thức 13-62 trang 111 sổ tay
QT&TBCNHH tập II :
Chọn nhiêt độ vào của nước làm lạnh t
1
=25
o
C và nhiệt độ ra t
2
= 40
o
C
Do đó nhiệt độ trung bình :

C
tt
t
o
tb
5,32
2

C
n
= 0,99861 Kcal/kg độ = 4180 J/kgđộ
Vậy lượng nước làm lạnh :

)/(66,359
)2540(*4180
10*38,659)7,41(6000
3
1
hkgG
n
=
−
+
=
4-CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG CHO THIẾT BỊ LÀM LẠNH:

)()(
12221
ttCGCttP
nnP
−=
′
−
′
C
P
: nhiệt dung riêng sản phẩm đỉnh , theo trên ta có : C
P

)(
)(
12
21
2
hkg
ttC
CttP
G
n
P
n
=
−
−
=
−
′
−
′
=
Vậy tổng lượng nước làm lạnh dùng trong quá trình trao đổi nhiệt :
G
n
= G
n1
+ G
n2
= 359,66 + 4695 = 5054,66 Kg/h
B-THÔNG SỐ CHÍNH CỦA THÁP

tb
+
=
(IX - 91) sổ tay QT&TBCNHH tập II
g
đ
: lượng hơi ra khỏi tháp ở đĩa trên cùng (kg/h)

Sinh viên thực hiện: ĐÀ NẴNG-2005 giáo viên hướng dẫn:
LÊ THỊ LIỀN NGUYễN THANH SơN