BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM
KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

ĐỒ ÁN
THỰC HÀNH QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ HÓA HỌC
ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ CHƯNG CẤT HỖN HỢP
CLOROFOM - CACBONTETRACLORUA
Giáo viên hướng dẫn:

ThS. Võ Thanh Hưởng

Sinh viên thực hiện:

Dương Hữu Hiệu

MSSV:

14134441

Lớp:

DHHO10D

TP.HCM, tháng 10 năm 2017


TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM


3. Nội dung thực hiện:
• Mở đầu
• Chọn và thuyết minh quy trình công nghệ
• Tính cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng
• Tính toán công nghệ thiết bị chính
• Tính và chọn thiết bị phụ
• Kết luận
• Tài liệu tham khảo
• Phụ lục (nếu có)
4. Bản vẽ
1 sơ đồ quy trình công nghệ (khổ giấy A1)
1-2 bản vẽ lắp thiết bị chính (khổ giấy A1)
5. Ngày giao nhiệm vụ: 06/9/2017
6. Ngày nộp đồ án: 10/12/2017
2


TP.HCM, ngày 06 tháng 9 năm 2017
TRƯỞNG BỘ MÔN

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Trần Hoài Đức

Võ Thanh Hưởng

3


LỜI CẢM ƠN


TP.HCM, ngày… tháng… năm 2017
Giáo viên hướng dẫn

Võ Thanh Hưởng

5


MỤC LỤC

6


LỜI MỞ ĐẦU
Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển đóng góp to lớn cho nền công nghiệp nước
ta nói riêng và thế giới nói chung. Một trong những ngành có đóng góp vô cùng to lớn đó
là ngành công nghiệp hoá học, đặc biệt là ngành sản xuất các hoá chất cơ bản.
Hiện nay, các ngành công nghiệp cần sử dụng rất nhiều hoá chất có độ tinh khiết
cao. Nhu cầu này đặt ra cho các nhà sản xuất hoá chất sử dụng nhiều phương pháp để
nâng cao độ tinh khiết của sản phẩm như: trích ly, chưng cất, cô đặc, hấp thu… Tuỳ theo
đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có sự lựa chọn phương pháp cho phù hợp. Đối với
hệ cloroforme – carbontetraclorua là hệ 2 cấu tử tan lẫn vào nhau, ta chọn phương pháp
chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho cloroforme.
Đồ án môn học Quá trình & Thiết bị là một môn học mang tính tổng hợp trong quá
trình học tập của các kỹ sư Công nghệ Hoá học tương lai. Môn học này giúp sinh viên có
thể tính toán cụ thể: quy trình công nghệ, kết cấu, giá thành của một thiết bị trong sản
xuất hoá chất - thực phẩm. Đây là lần đầu tiên sinh viên được vận dụng các kiến thức đã
học để giải quyết các vấn đề kỹ thuật thực tế một cách tổng hợp.
Qua bài đồ án chúng ta sẽ nghiên cứu và tính toán để thiết kế thiết bị mâm chóp để

(cấp nhiệt ở đáy tháp, cấp nhiệt trực tiếp, cấp nhiệt gián tiếp.

Vậy: Đối với hệ cloroforme – carbontetraclorua, ta chọn phương pháp chưng cất
liên tục ở áp suất thường.
1.3. Thiết bị chưng cất
Trong sản xuất, 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.

8


− 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 được cho tiếp xúc với nhau. Tuỳ theo cấu
tạo của đĩa, ta có: Tháp mâm chóp: trên mâm bố trí có chóp dạng tròn, xupap….;
Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh.
− 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.
Bảng I.1: So sánh ưu nhược điểm của các loại tháp
Tháp chêm
Ưu điểm

Tháp mâm xuyên lỗ

Tháp mâm chóp

Cấu tạo khá đơn giản.


Vậy: Qua phân tích trên ta sử dụng tháp mâm chóp để chưng cất hệ cloroforme –
carbontetraclorua .

2. GIỚI THIỆU VỀ NGUYÊN LIỆU
2.1. Cloroforme

Hình I.1: Cloroforme
Clorofom hay còn gọi là triclorometan và metyl triclorua và một hợp chất hoá
học thuộc nhóm trihalometan có công thức CHCl3. Nó không cháy trong không khí, trừ
khi tạo thành hỗn hợp với các chất dễ bắt cháy hơn. Clorofom còn là một chất độc với
môi trường.
9


Bảng I.2: Các tính chất vật lý của cloroforme
Khối lượng phân tử:

119,5g/mol

Tỷ trọng:

1,48g/cm3

Điểm sôi:

61,2 0C

Độ hòa tan trong nước:


10


Trong công nghiệp, người ta điều chế clorofom bằng đốt nóng hỗn
hợp clo và clometan hay metan. Ở nhiệt độ 400 - 500 °C, phản ứng halogen hóa gốc tự
do diễn ra, chuyển metan hay clometan dần dần thành các hợp chất clo hóa.
CH4 + Cl2 → CH3Cl + HCl
CH3Cl + Cl2 → CH2Cl2 + HCl
CH2Cl2 + Cl2 → CHCl3 + HCl
Tiếp tục phản ứng clo hóa, clorofom chuyển thành CCl4:
CHCl3 + Cl2 → CCl4 + HCl
Hỗn hợp sản phẩm sau phản ứng gồm 4 chất: clometan, diclometan, clorofom
(triclometan) và cacbon tetraclorua, chúng tách ra qua quá trình chưng cất.
3.2. Cacbontetraclorua
Hiện nay chủ yếu được tổng hợp từ metan: CH4 + 4Cl2 → CCl4 + 4HCl
Việc sản xuất nó thường tận dụng các phụ phẩm của các phản ứng clo hóa khác,
chẳng hạn như tổng hợp diclorometan và cloroform. Các clorocacbon cao hơn cũng có
thể dùng để "phân hủy bằng clo": C2Cl6 + Cl2 → 2CCl4
Trước thập niên 1950, cacbon tetraclorua được sản xuất bằng clo hóa cacbon
disulfua ở 105-130 °C: CS2 + 3Cl2 → CCl4 + S2Cl2
Bảng I.4: Thành phần lỏng (x) – hơi (y) hỗn hợp cloroforme – cacbontetraclorua
x (phân mol)

0

10

20

30


70,6

68,6

66,9

65,3

70
81,
0
63,
9

Hình I.3: Hệ Cloroforme – Cacbontetra clorua

11

80
88,5

62,6

90
95,
0
61,
5


bồn chứa sản phẩm đáy(13).

12


SÔ ÑOÀQUY TRÌNH COÂNG NGHEÄ
7
3

5
14

8
6

4
P

9
T

10
T P

P

11
13

2


? ng chùm

1
1

9

B?n ch?a s?n ph?m dáy

8

Thi?t b? làm ngu?i s?n ph?m d?nh

? ng l?ng ?ng

1

7

Thi?t b? ngung t?

? ng chùm

1

6

Tháp chung c?t



Ly tâm

2

Ð?c tính k? thu?t

S? lu?ng

1
GHI CHÚ

TRU? NG Ð?I H? C CÔNG NGHI?P TPHCM
KHOA MÁY THI?T B?
Ð? ÁN MÔN H? C QUÁ TRÌNH VÀ THI?T B?:

THI?T K? THÁP MÂM CHÓP CHUNG C?T H? HAI CÂU T?
CACBONTETRACLORUA - CLOROFORME
Ngu?i v?
GVHD

Hình II.1: Quy trình công nghệ

13

Bùi Ng?c Tho

b?n v? :
QUY TRÌNH CÔNG NGH?





14


Bảng III.1: Các giá trị tính toán

F = 12,095 kmol/h

P = 1,643 kmol/h

W = 10,452 kmol/h

3. XÁC ĐỊNH CHỈ SỐ HOÀN LƯU THÍCH HỢP
Chỉ số hoàn lưu tối thiểu: Tỉ số hoàn lưu tối thiểu là chế độ làm việc mà tại đó ứng
với số mâm lý thuyết là vô cực. Do đó, chi phí cố định là vô cực nhưng chi phí điều hành
(nhiên liệu, nước bơm, năng lượng, vật liệu…) là tối thiểu.

Hình III.1: Cân bằng pha của hệ 2 cấu tử Cloroforme - Cacbontetraclorua
Dựa vào đồ thị trên: với =>
Chỉ số hoàn lưu tối thiểu:
Tỉ số hoàn lưu làm việc theo công thức kinh nghiệm R = b.R min
Với b = (1,2 – 2,5) nên 15,6 < R < 32,5’
Với các giá trị Ri > Rmin ta tìm được các giá trị tung độ Bi tương ứng:

Vẽ các đường làm việc của đoạn luyện ứng với các giá trị B i đó. Từ đó qua đồ thị ta
tìm được các giá trị Ni tương ứng. Từ các giá trị N i tìm được ta thành lập các giá trị tương
ứng Ni(Ri + 1).
Bảng III.2: Các giá trị vẽ số mâm lý thuyết

28,6

31,2

32,5

Bi

0,051

0,044

0,039

0,035

0,031

0,029

0,026

0,025

Ni

33

28



703,5

Thiết lập mối quan hệ phụ thuộc giữa Ri và Ni(Ri + 1) trên đồ thị. Điểm cực tiểu của
đường cong vẽ được cho ta giá trị thiết bị bé nhất và ứng với điểm đó ta xác định được
chỉ số hồi lưu thích hợp là Rlt
Từ đồ thị bên dưới ta xác định được chỉ số hồi lưu thích hợp là Rlt = 18,2
Hình III.2: Đồ thị quan hệ giữa thể tích thiết bị và chỉ số hồi lưu
Từ đồ thị bên ta xác định được chỉ số hồi lưu thích hợp là Rlt = 18,2.

4. PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LÀM VIỆC VÀ SỐ MÂM LÝ THUYẾT
4.1. Phương trình đường làm việc đoạn cất

Vậy phương trình đường cất: y = 0,95x + 0,044
4.2. Phương trình đường làm việc đoạn chưng

Với . Vậy phương trình đường chưng: y = 1,33x + 0,013
4.3. Số mâm lý thuyết
Dựng đường làm việc của tháp bao gồm đường làm việc phần cất và phần chưng.
Trên đồ thị y – x ta lần lượt vẽ các đường bật thang từ đó xác định được số mâm lý thuyết
lấy tròn là 28 mâm
Từ đồ thị, ta có 28 mâm bao gồm

5. XÁC ĐỊNH SỐ MÂM THỰC TẾ
Có nhiều phương pháp xác định số mâm thực của tháp, ta có thể xác định số mâm
thực dựa vào hiệu suất trung bình: Nt = Nlt/ηtb
Trong trường hợp này ta tính: ηtb =
Từ bảng số liệu và thực hiện phép nội suy ta tìm được độ nhớt của Cloroforme và
Cacbontetraclorua ở nhiệt độ và nồng độ tương ứng:
16

− Độ nhớt nhập liệu:

=>
− Độ nhớt sản phẩm đáy:

=>
 Độ bay hơi tương đối được tính theo công thức:
Trong đó x,y là nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng và pha hơi
− Độ bay hơi tương đối của sản phẩm đỉnh:
− Độ bay hơi tương đối của dòng nhập liệu:
− Độ bay hơi tương đối của sản phẩm đáy:
Hiệu suất trung bình là hàm số trung bình của độ bay hơi tương đối của hỗn hợp và
độ nhớt của hỗn hợp lỏng: ηtb =
17


Ta có: => ηP = 0,52
=> ηP = 0,51
=> ηP = 0,56
ηtb =
Suy ra số mâm thực tế: ηtb mâm

18


CHƯƠNG IV: CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
1. CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG CHO THIẾT BỊ NGƯNG TỤ
: nhiệt lượng ngưng tụ (kW)
Với
Ở 620C ẩn nhiệt hóa hơi của CHCl3 = 247,6 KJ/kg; CCl4 = 201,9 KJ/kg

Với : là lượng nhiệt tổn thất, ta lấy khoảng 5 % tổng lượng nhiệt có ích cung cấp
cho đáy tháp

20


CHƯƠNG V: TÍNH TOÁN THÁP CHƯNG CẤT

1. ĐƯỜNG KÍNH ĐOẠN CẤT
1.1. Lượng hơi trung bình đi trong tháp đoạn cất

− Xác định gP:
− Xác định g1 từ hệ phương trình:
• Tính r1: t1 = tF = 74 0C, tra bảng I.212, tr 254 [1] ta có:
Ẩn nhiệt hóa hơi của Cloroforme: rCloroforme = 241,6 KJ/kg.
Ẩn nhiệt hóa hơi của Carbontetraclorua: rCarbontetraclorua =195,9 KJ/kg.
Suy ra: r1 = rCHCl3.y1 + (1-y1).rCCl4 = 45,7y1+ 196,6
• Tính rP: tP =620C, tra bảng I.212 trang 254 [1] ta có:
Ẩn nhiệt hóa hơi của Cloroforme: rCloroforme = 246,6KJ/kg.
Ẩn nhiệt hóa hơi của Carbontetraclorua: rCarbontetraclorua = 200,9 KJ/kg.
xP = 0,85 tra theo đường cân bằng yP = 0.917
Nên:
Suy ra:
 x1 = xF = 0,12 (theo phần khối lượng)
Giải hệ trên ta được :

1.2. Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp
Vận tốc hơi đi trong tháp ở đoạn cất:
h: khoảng cách mâm (chọn h = 0,3 ứng với 0,6
2. ĐƯỜNG KÍNH ĐOẠN CHƯNG
2.1. Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng

Xác định g’n: gn’ = g1= kg/h
Xác định g’1 : từ hệ phương trình:
Tính r1’ : trong đó y’1=y*w (tra theo đường cân bằng) xw = 0,04(phần mol) tra đồ thị cân
bằng của hệ ta có : y*w =0,055( phần mol) = 0,043 (phần kl).
t’1 = tw =760C, tra bảng - I.212 trang 254 [1] ta có:
Ẩn nhiệt hóa hơi của Cloroforme : rCloroforme = 234,29 KJ/kg.
22


Ẩn nhiệt hóa hơi của Carbontetraclorua : rCarbontetraclorua =188,63 KJ/kg.
Suy ra : r’1 = rCHCl3. + (1- ).rCCl4 = 234,29
Dựa vào phương trình của phần cất

g1.r1 = g d .rd
ta tính được r1 :203,47

Thay vào hệ phương trình trên ta tìm được
= 0,0393 phần kl= 0,05 phần mol
Vận tốc hơi đi trong tháp ở đoạn chưng:
h: khoảng cách mâm (chọn h = 0,3 ứng với 0,6 ρxtb = 1466,5 kg/m3

Trong đó Ntt – số mân thực tế của tháp;

∆Pk
Trở lực của đĩa khô :

=

: tổng trở lực của một đĩa, N/m2 [2] - tr 192

ρ y .w 2 0
ξ
2

Tính vận tốc khí qua rãnh chóp: sổ tay tập 2 tr 238
Vận tốc khí đi trong tháp là: wtb = 0,5.(wcất + w chưng) = 0,5.(0,42 + 0,44) = 0,43 m/s
• Diện tích của các đường kính ống hơi trên 1 mâm
-

Gồm 10 chóp và mỗi ống hơi có đường kính là dh = 0,1 m.

-

Có 10 chóp trên mỗi mâm vậy cũng có 10 ống hơi.

Tháp có đường kính 1 m:
Chóp loại chóp tròn có 7 khe vậy có 7 khoảng trống giữa 7 khe mỗi khe dài 4mm
Vậy ctổng = 7.4 = 28mm.
Ta có chu vi của 1 chóp với đường kính 0,1 m: Cchóp = .d = 3,14.0,1 = 0,314 m
Vậy chiều dài của 1 chóp là: .
Vậy vận tốc hơi đi qua 1 rãnh (chữ nhật) của chóp là:

=

= 9.9.10-3 N/m,

suy ra:

∆Pt
Trở lực của chất lỏng trên đĩa

ρb
+ Khối lượng riêng bọt

, N/m2 (trở lực thủy tĩnh):

ρx
= 0,5

3

= 0,5.1459,75 = 729,875 kg/m , với

ρx
- khối lượng

riêng trung bình pha lỏng phần chưng và phần cất,
+ hb – chiều cao lớp bọt lấy bằng hai lần chiều cao lớp chất lỏng trên đĩa, theo phần tính
toán cho đĩa thì chiều cao lớp chất lỏng trên đĩa là 25mm, vậy hb = 50mm
+b – chiều cao khe chóp, tính toán ở phần chóp ta có b = 17,5mm
Suy ra:
Tổng trở lực của 1 đĩa: