ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ: Thiết kế tháp chưng luyện liên tục loại tháp đệm để phân tách hỗn hợp CHCl3 – CCl4

ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ Số : ........................ Họ và tên HSSV : Nguyễn Mạnh Hiệp Lớp : LT CĐ ĐH Hoá 1 Khoá: 10 Khoa : Công nghệ Hoá Giáo viên hướng dẫn : Vũ Minh Khụi Nội dung Thiết kế tháp chưng luyện liên tục loại tháp đệm phân tách hỗn hợp CHCl3 CCl4 Các số liệu ban đầu: Năng suất tính theo hỗn hợp đầu F = 12,3 tấngiờ. Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong: + Hỗn hợp đầu: aF = 0,378 phần khối lượng. + Sản phẩm đỉnh: aP = 0,956 phần khối lượng. + Sản phẩm đáy: aW = 0,044 phần khối lượng. Tháp làm việc ở áp suất thường Hỗn hợp đầu được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi.

ĐẠI HỌC CễNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA HểA CễNG NGHỆ

 Giỏo viờn hướng dẫn : Vũ Minh Khụi

loại tháp đệm để phân tách hỗn hợp CHCl 3 – CCl 4

HÀ NỘI, NĂM 2016

Bộ Công thơng

Trờng ĐH Công nghiệp Hà Nội

Cộng hoà xã hội chủ nghĩa Việt Nam

Đ c l p ộc lập ập – T ự do – H nh phúc ạnh phúc

Đồ án môn học Quá trình thiết bị

Số :

-Các số liệu ban đầu:

- Năng suất tính theo hỗn hợp đầu F = 12,3 tấn/giờ

- Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong:

+ Hỗn hợp đầu: aF = 0,378 phần khối lợng

+ Sản phẩm đỉnh: aP = 0,956 phần khối lợng

+ Sản phẩm đáy: aW = 0,044 phần khối lợng

- Tháp làm việc ở áp suất thờng

- Hỗn hợp đầu đợc gia nhiệt đến nhiệt độ sôi

Phần thuyết minh

Ngày giao đề : ……… Ngày hoàn thành :………

LỜI MỞ ĐẦU

Kỹ thuật hiện đại có nhiệm vụ nghiên cứu các quá trình sản xuất sảnphẩm hoá học mới, cải tiến quá trình cũ nhằm tăng năng suất chất lượng trongcác ngành hoá học Các phương pháp chế biến hoá học rất khác nhau nhưngnhìn 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 cáchỗn hợp khí lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau củacác 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 bấynhiêu sản phẩm Với trường hợp hỗn hợp gồm hai cấu tử sẽ có: sản phẩm đỉnhgồm cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi bé, sảnphẩm đáy gồm cấu tử có độ bay hơi bé và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơilớn hơn

Trong sản xuất có nhiều phương pháp chưng: chưng đơn giản, chưngbằng hơi nước trực tiếp, chưng luyện,…

Chưng luyện là phương pháp chưng phổ biến nhất dùng để tách hoàn toàncác cấu tử dẽ bay hơi có tính chất hoà tan một phần hoặc hoà tan hoàn toàn vàonhau

Clorofom và Cacbontetraclorua là một trong những sản phẩm của ngànhcông nghiệp tổng hợp hữu cơ Chúng được sử dụng rộng rãi trong công nghiệphoá học nói chung cũng như công nghiệp hữu cơ nói riêng như trong côngnghiệp hoá dầu, dược phẩm, phẩm nhuộm,…

Thông thường trong công nghiệp hữu cơ CHCl3 và CCl4 ở dạng hỗn hợpnên muốn sử dụng chúng người ta cần thiết phải tách riêng biệt chúng Để thựchiện điều này, người ta có thể tiến hành chưng luyện hỗn hợp trong các thápchưng luyện liên tục hoặc gián đoạn

Tháp chưng luyện liên tục có thể dùng loại tháp đệm, tháp chóp hoặc thápđĩa lỗ Trong đó loại tháp đệm được sử dụng khá rộng rãi và cho hiệu suất cao

- Thay vì đưa vào trong hỗn hợp một pha mới để tạo nên sự tiếp xúc giữahai pha như trong quá trình hấp thu hoặc nhả khí, trong quá trình chưngluyện pha mới được tạo nên bằng sự bốc hơi hoặc ngưng tụ.

- Trong quá trình chưng luyện dung môi và chất tan đều bay hơi (nghĩa làcác cấu tử đều hiện diện trong cả hai pha nhưng với tỷ lệ khác nhau)

- Khi chưng luyện ta thu được nhiều cấu tử và thường thì đưa vào chưngluyện bao nhiêu cấu tử sẽ thu được bấy nhiêu sản phẩm Nếu xét hệ đơngiản chỉ có hai cấu tử thì ta sẽ thu được hai sản phẩm :

Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt độ sôi nhỏ)Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi nhỏ (nhiệt độ sôi lớn)

- Đối với hệ Clorofom – Cacbontetraclorua:

Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm Clorofom và một ít Cacbontetraclorua

Sản phẩm đáy chủ yếu là Cacbontetraclorua và một ít Clorofom

1.1.2 Phương pháp chưng luyện

Các phương pháp chưng cất được phân loại theo :

- Áp suất làm việc : Áp suất thấp

Áp suất thường

Áp suất cao

- Nguyên tắc làm việc: dựa vào nhiệt độ sôi của các cấu tử, nếu nhiệt độ sôicủa các cấu tử quá cao thì ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôicủa các cấu tử

- Nguyên lí làm việc : Chưng một bậc

Chưng lôi cuốn theo hơi nướcChưng luyện

- Cấp nhiệt ở đáy tháp : Cấp nhiệt trực tiếp

Cấp nhiệt gián tiếp Với hệ hai cấu tử Clorofom – Cacbontetraclorua ta dùng phương phápchưng luyện liên tục ở áp suất thường

1.1.3 Thiết bị chưng luyện

Trong sản xuất, người ta thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để tiếnhành chưng luyện Tuy nhiên, yêu cầu cơ bản chung của các thiết bị vẫn giốngnhau nghĩa là diện tích tiếp xúc pha phải lớn Điều này phụ thuộc vào mức độphân tán của một lưu chất này vào lưu chất kia Nếu pha khí phân tán vào phalỏng ta có các loại tháp đĩa, nếu pha lỏng phân tán vào pha khí ta có tháp đệm Ởđây ta khảo sát 2 loại thường dùng là tháp đĩa và tháp đệm

 Tháp đĩa : thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các đĩa có cấutạo khác nhau, trên đó pha lỏng và pha hơi được cho tiếp xúc với nhau.Tuỳ theo cấu tạo của đĩa, ta có :

- Tháp đĩa chóp : trên đĩa bố trí có chóp dạng tròn

- Tháp đĩa lỗ : trên đĩa có nhiều lỗ hay rãnh

 Tháp đệm : tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối với nhau bằng mặt bích hayhàn Vật đệm được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp sau :xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự

1.1.4 Giới thiệu về nguyên liệu chưng luyện

 Clorofom & Cacbontetraclorua:

Clorofom, hay còn gọi là tricloromêtan và mêtyl triclorua, và một hợp

chất hoá học thuộc nhóm trihalomêtan có công thức HC Cl 3 Nó không cháytrong không khí, trừ khi tạo thành hỗn hợp với các chất dễ bắt cháy hơn Người

ta sử dụng clorofom làm chất phản ứng và dung môi Clorofom còn là một chấtđộc với môi trường

Lịch sử hình thành:

Tháng 7 năm 1831, nhà vật lý người Mỹ Samuel Guthrie và vài tháng sauđến lượt các nhà hoá học người Pháp Eugène Soubeiran và người Đức Justusvon Liebig đã độc lập tìm ra clorofom Cả 3 đều tìm thấy clorofom qua phảnứng halofom Soubeiran cho bột tẩy clo (canxi hypoclorit) tác dụng với aceton(2-propanon) cũng như với êtanol để điều chế clorofom Năm 1834, Jean-Baptiste Dumas đã đặt tên và khảo sát hóa học clorofom.[4]

Năm 1847, bác sỹ sản khoa James Young Simpson ở Edinburgh lần đầu sửdụng clorofom là chất gây mê chính cho quá trình đỡ đẻ Sau đó người ta sửdụng clorofom cho phẫu thuật trên toàn châu Âu Đầu thế kỷ 20, tại Hoa Kỳ,clorofom thay thế ete làm chất gây mê Tuy nhiên, người ta nhanh chóng cấm sửdụng vì tính độc của nó, đặt biệt là khả năng gây ra chứng loạn nhịp tim chếtngười

Ứng dụng

Ngày nay clorofom sử dụng chủ yếu để tổng hợp chất làm lạnh R-22 chomáy điều hòa không khí Tuy nhiên, vì R-22 gây ra sự suy giảm ozon nênclorofom gần như ít sử dụng cho mục đích này

+ Gây mê: Từ giữa thế kỷ 18, clorofom chủ yếu sử dụng làm chất gây mê Hơi clorofom ảnh hưởng đến hệ thần kinh trung ương của người bệnh, gây ra

chóng mặt, mỏi mệt và ngất, cho phép bác sỹ phẫu thuật

+ Làm dung môi: Clorofom là một dung môi phổ biến vì nó khá trơ, trộn hợp với hầu hết các chất lỏng hữu cơ, và dễ bay hơi Trong công nghiệp dược phẩm, người ta sử dụng clorofom làm dung môi để sản xuất thuốc nhuộm và thuốc trừ sâu Clorofom chứa dơtơri (hydro nặng), CDCl 3, là dung môi phổ biến cho phương pháp đo phổ cộng hưởng từ hạt nhân.

Bề ngoài Chất lỏng không màu , khối lượng riêng là 1,5842 g/cm, dễ bayhơi ,tnc=-229,2 oC; ts = 76,72 oC.Là một chất không phân cực

Trong vai trò của một dung môi, nó hòa tan khá tốt các hợp chất không phân cựckhác, chất béo và dầu mỡ Sử dụng chủ yếu hợp chất này làm chất phản ứngtrong tổng hợp hữu cơ Đây là một chất lỏng không màu có mùi "thơm" Nhưng

nó hơi dễ bay hơi, tạo ra hơi với mùi đặc trưng như của các dung môi clo hóakhác, hơi tương tự như mùi của tetraclorthylen dùng trong các cửa hàng giặt làkhô Nó được dùng làm dung môi trong nghiên cứu hóa tổng hợp Đôi khi nó làhữu ích để làm dung môi cho phổ hồng ngoại học do không có các dải hấp thụđáng kể > 1.600 cm-1 Do cacbon tetraclorua không chứa bất kỳ nguyên tử hiđrônào, nên trong quá khứ nó được dùng trong phổ NMR proton Tuy nhiên,cacbon tetraclorua là độc hại và khả năng hòa tan của nó là thấp Nó đã bị thaythế phần lớn bởi các dung môi đơteri hóa, thường là có các thuộc tính hòa tan tốthơn và cho phép phổ kế giam giữ đơteri.Phơi nhiễm trước hàm lượng cao củacacbon tetraclorua (bao gồm cả thể hơi) có thể ảnh hưởng tới hệ thần kinh trungương và làm suy thoái ganvà thận cũng như có thể gây ra (sau phơi nhiễm kéodài) hôn mê và thậm chí gây tử vong Phơi nhiễm kinh niên trước cacbontetraclorua có thể gây ra ngộ độc gan và tổn thương thận hay gây ra ung thư.Đầu thế kỷ 20, cacbon tetraclorua được sử dụng rộng rãi làm dung môi tẩy rửakhô, cũng như làm chất làm đông lạnh hay trong các bình chữa cháy Tuy nhiên,khi người nhận thấy dường như phơi nhiễm cacbon tetraclorua có ảnh hưởngnghiêm trọng tới sức khỏe thì các chất thay thế an toàn hơn nhưtetracloroethylen được dùng cho các ứng dụng đó và việc sử dụng nó trong cácứng dụng này bị suy giảm từ khoảng năm 1940 trở đi Cacbon tetraclorua cònđược dùng làm thuốc trừ dịch hại để giết sâu bọ trong ngũ cốc đang lưu trữ,nhưng trong năm 1970, nó đã bị cấm dùng trong các sản phẩm tiêu dùng tại HoaKỳ.Trước khi có nghị định thư Montreal một lượng lớn cacbon tetraclorua đãđược sử dụng để sản xuất các chất làm lạnh freon R-11 (tricloroflorometan) vàR-12 (diclorodiflorometan) Tuy nhiên, các chất làm lạnh này hiện nay bị coi làđóng vai trò trong sự suy giảm ôzôn và bị loại bỏ Cacbon tetraclorua hiện vẫn

còn được dùng để sản xuất các chất làm lạnh ít phá hủy hơn.Cacbon tetracloruacũng được sử dụng để phát hiện nơtrino Cacbon tetraclorua là một trong nhữngchất độc mạnh nhất đối với gan và được sử dụng trong nghiên cứu khoa học đểđánh giá các chất bảo vệ gan.

Cacbon tetraclorua trên thực tế không cháy ở các nhiệt độ thấp Ở nhiệt độcao trong không khí, nó tạo ra photgen (CCl2O) độc hại Do không có liên kết C-

H, cacbon tetraclorua không dễ dàng tham gia các phản ứng gốc tự do Vì thế nó

là dung môi hữu ích trong các phản ứng halogen hóa bằng các halogen nguyên

tố hay bằng các chất phản ứng như N-bromosuccinimid Trong hóa hữu cơ,

cacbon tetraclorua đóng vai trò của nguồn cấp clo trong phản ứng Appe

 Hỗn hợp Clorofom – Cacbontetraclorua:

Ta có bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp hai cấu

tử Clorofom – Cacbontetraclorua ở 760mmHg (phần trăm mol) thể hiện ở bảngIX.2a (II-147)

y 0 - 13,5 26,5 39,5 52 63,5 72,5 81 88,5 95 100

t ( o C) 76,8 - 74,7 72,6 70,6 68,6 66,9 65,3 63,9 62,6 61,5 60,8

1.2 Quy trình công nghệ sản xuất

1.2.1 Thuyết minh dây chuyền công nghệ sản xuất

Dung dịch đầu ở thùng (1) được bơm (2) bơm liên tục lên thùng cao vị (3),mức chất lỏng cao nhất ở thùng cao vị được khống chế nhờ ống chảy tràn, từthùng cao vị dung dịch được đưa vào thiết bị đun nóng (4) qua lưu lượng kế(11), ở đây dung dịch được đun nóng đến nhiệt độ sôi bằng hơi nước bão hoà, từthiét bi gia nhiệt (4) dung dịch được đưa vào tháp chưng luyện (5) nhờ đĩa tiếpliệu, trong tháp hơi đi từ dưới lên gặp chất nỏng đi từ trên xuống, nhiệt độ vànồng độ các cấu tử thay đổi theo chiều cao của tháp Vì vậy hơi từ đĩa phía dướilên đĩa phía trên, các cấu tử có nhiệt độ sôi cao sẽ được ngưng tụ lại và cuốicùng trên đỉnh ta thu được hỗn hợp gồm hầu hết các cấu tử dễ bay hơi Hơi đó đivào thiết bị ngưng tụ hồi lưu (6), ở đây nó được ngưng tụ lại

Một phần chất lỏng đi qua thiết bị làm lạnh (7) để làm lạnh đến nhiệt độcần thiết rồi đi vào thùng chứa sản phẩm đỉnh (8), một phần khác hồi lưu về tháp

ở đĩa trên cùng

Chất lỏng đi từ trên xuống gặp hơi có nhiệt độ cao hơn, một phần cấu tử cónhiệt độ sôi thấp được bốc hơi và do đó nồng độ cấu tử khó bay hơi trong chấtlỏng ngày càng tăng và cuối cùng ở đáy tháp ta thu dược hỗn hợp lỏng gồm hầuhết là cấu tử khó bay hơi Chất lỏng đi ra khỏi tháp được làm lạnh rồi đi vàothùng chứa sản phẩm đáy (10) Như vậy với thiết bị làm việc liên tục thì hỗnhợp đầu được đưa vào liên tục và sản phẩm cũng được tháo ra liên tục

Khi hơi bay lên ở đĩa số 1 có thành phần cấu tử dễ bay hơi Clorofom là y1.Sục trực tiếp vào lớp chất lỏng trên đĩa 1 có thành phần cấu tử dễ bay hơiClorofom là x1 với (x1 < y1) Trong hơi bao giờ cũng giàu cấu tử dễ bay hơi hơn

lỏng Khi sục vào đĩa 2 do hơi đĩa 1 sục vào lớp chất lỏng đĩa 2 mà nhiệt độ đĩa

2 nhỏ hơn nhiệt độ đĩa 1 nên hơi đó sẽ bị ngưng tụ một phần cấu tử khó bay hơi(Cacbontetraclorua) Quá trình ngưng tụ lại là quá trình toả nhiệt và nhiệt này sẽlàm bay hơi một phần cấu tử khó bay hơi trong đĩa số 2 Do đó x2 > x1, y2 > y1dẫn tới hơi đĩa 2 tiếp tục sục vào đĩa 3 Quá trình này xảy ra tương tự nhiều lầncuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp gồm hầu hết là cấu tử dễ bay hơi(Clorofom ) Hơi từ đỉnh tháp vào thiết bị ngưng tụ hồi lưu 6 Ở đây một phầnhơi được ngưng tụ lại và quay trở lại tháp, phần hơi còn lại được đưa vào thiết bịngưng tụ làm lạnh 7 để ngưng tụ hoàn toàn sản phẩm rồi chuyển vào thùng chứasản phẩm đỉnh 8

Chất lỏng hồi lưu đi từ trên xuống dưới gặp hơi có nhiệt độ cao đi từ dướilên, một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp lại bốc hơi đi lên, một phần cấu tử khóbay hơi trong pha hơi sẽ ngưng tụ đi xuống.Do đó nồng độ cấu tử khó bay hơitrong pha lỏng ngày càng tăng, cuối cùng ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏnggồm hầu hết cấu tử khó bay hơi (Cacbontetraclorua), và một phần ít cấu tử dễbay hơi (Clorofom ) Hỗn hợp lỏng này sẽ được chia làm 2 phần Một phần đượcđun sôi bằng nồi đun sôi đáy tháp 1 (dùng hơi nước bão hoà) Nó có tác dụngđun sôi tuần hoàn và bốc hơi hỗn hợp sản phẩm đáy tạo dòng hơi đi từ dưới lên.Một phần được vào thùng chứa sản phẩm đáy 10 và có thể được xử lí tiếp

Đây là loại tháp chưng luyện liên tục nên hỗn hợp đầu và các sản phẩm đượclấy ra là liên tục

1.2.2 Sơ đồ dây chuyền công nghệ

Chú thích:

1 Thùng chứa hỗn hợp đầu 7 Thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh

3 Thùng cao vị 9 Thiết bị gia nhiệt đáy tháp

4 Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 10 Thùng chứa sản phẩm đáy

5 Tháp chưng luyện 11 Thiết bị tháo nước ngưng

6 Thiết bị ngưng tụ hồi lưu

3

4 5

- aF: Nồng độ phần khối lượng của Clorofom trong hỗn hợp đầu

- aP: Nồng độ phần khối lượng của Clorofom trong sản phẩm đỉnh

- aw: Nồng độ phần khối lượng của Clorofom trong sản phẩm đáy

- xF: Nồng độ phần mol của Clorofom trong hỗn hợp đầu

- xP: Nồng độ phần mol của Clorofom trong sản phẩm đỉnh

- xw: Nồng độ phần mol của Clorofom trong sản phẩm đáy

- : Độ nhớt, Ns/m2

- : Khối lượng riêng

- Ngoài ra còn có các kí hiệu khác được định nghĩa tại chỗ

Loại tháp: tháp đĩa lỗ không có ống chảy chuyền

Khi chưng luyện hỗn hợp Clorofom – Cacbontetraclorua thì cấu tử dễbay hơi là Clorofom

CCl

mol g M

CHCl Clorofom

B

A

/ 154

/ 5 , 119 :

- Hỗn hợp đầu đi vào tháp ở nhiệt độ sôi

- Chất lỏng ngưng tụ trong thiết bị ngưng tụ có thành phần bằng thànhphần của hơi đi ra ở đỉnh tháp

- Cấp nhiệt ở đáy tháp bằng hơi đốt gián tiếp

Phương trình cân bằng vật liệu:

Theo đầu bài ta có:

Năng suất tính theo hỗn hợp đầu: GF = 12,3 tấn/ giờ = 12300 kg/ giờ

Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong:

- Hỗn hợp đầu: aF = 0,378 phần khối lượng

- Sản phẩm đỉnh: aP = 0,956 phần khối lượng

- Sản phẩm đáy: aw = 0,044 phần khối lượng

Công thức liên hệ nồng độ phần mol và nồng độ phần khối lượng:

xA = B

A A

A A A

B A

A

M

1 M a M M

a

M a M a

B A

378 , 0

5 , 119

378 , 0

956 , 0

5 , 119

956 , 0

044 , 0

5 , 119

044 , 0

 Khối lượng mol trung bình của hỗn hợp đầu là:

Khối lượng trung bình được xác định theo công thức:

12300

h kmol M

, 0 966 , 0

) 056 , 0 439 , 0 (

58 , 88 ) (

h kmol x

x

x x F

P

w P

→ Khối lượng trung bình của sản phẩm đáy :

MW = xW.MA + (1 – xW).MB = 0,056.119,5 + (1- 0,056).154 = 152,07 (kg/kmol)

) / ( 3 , 51 056

, 0 966 , 0

) 439 , 0 966 , 0 (

58 , 88 ) (

h kmol x

x

x x F

W

w P

F p

Từ bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp hai cấu tửClorofom – Cacbontetraclorua ở 760mmHg (phần trăm mol) (Bảng IX.2a, II-

147).

y 0 - 13,5 26,5 39,5 52 63,5 72,5 81 88,5 95 100

t ( o C) 76,8 - 74,7 72,6 70,6 68,6 66,9 65,3 63,9 62,6 61,5 60,8

Từ các số liệu ở bảng trên ta vẽ được biểu đồ:

Hình 1: Đồ thị cân bằng pha của hệ Clorofom – CCl 4 tại P = 1atm

Hỡnh 2: Đồ thị t-x,y hệ Clorofom – CCl 4

Từ xF = 0,439 (phần mol) trờn biểu đồ ta kẻ song song với y, cắt đường cõn

bằng tại F, từ F kẻ song song với trục x, ta tỡm được yF*= 0,568 (phần mol) với

yF* là nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi cõn bằng với nồng độ cấu tử trongpha lỏng xF của hỗn hợp (hỡnh vẽ số đĩa lý thuyết của toàn thỏp)

Vỡ nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi cõn bằng với nồng độ cấu tửtrong pha lỏng xF của hỗn hợp đầu nờn ta xỏc định chỉ số hồi lưu tối thiểu theocụng thức:

0853 , 3 439 , 0 568 , 0

568 , 0 966 , 0

F P

x y

y x R

Vấn đề chọn chỉ số hồi lu thích hợp Rx rất quan trọng vì chỉ số hồi lu thíchhợp nhỏ thì số bậc của tháp lớn (chiều cao tháp tăng), lợng hơi đốt tiêu tốn ít, ng-

ợc lại khi chỉ số hồi lu lớn thì số bậc của tháp nhỏ (chiều cao của tháp thấp) lợnghơi đốt tiêu tốn lớn, đờng kính lớn thì sản phẩm đỉnh thu đợc rất ít do đó để thu

đợc Rth ta chọn:

Rx = Rmin β (II-158) Trong đó β là hệ số hồi lu (β = 1,4 - 2,3)

Ta tính Rx dựa trên phơng pháp: biết giá trị Rmin ta cho các giá trị bất kỳ ta sẽtính đợc R tơng ứng (R > Rmin), với mỗi Rx ta xác định đợc số đĩa lý thuyết Nlt t-

ơng ứng

Hỡnh vẽ số đĩa lý thuyết

Hình 3 : Số đĩa lý thuyết tương ứng với β =1,4 ; B = 0,182 và Nlt = 27

Hình 4 : Số đĩa lý thuyết tương ứng với β =1,5 ; B = 0,172 và Nlt = 25

Hình 6 : Số đĩa lý thuyết tương ứng với β =1,7 ; B = 0,155 và Nlt = 23

Hình 7: Số đĩa lý thuyết tương ứng với β =1,8 ; B = 0,147 và Nlt = 22

Hình 8: Số đĩa lý thuyết tương ứng với β =1,9 ; B = 0,141 và Nlt = 21

Hình 9: Số đĩa lý thuyết tương ứng với β =2,0 ; B = 0,135 và Nlt = 20

Hình 10: Số đĩa lý thuyết tương ứng với β =2,1; B = 0,129 và Nlt = 20

Hình 11: Số đĩa lý thuyết tương ứng với β =2,2 ; B = 0,124 và Nlt = 20

Hình 12: Số đĩa lý thuyết tương ứng với β =2,3 ; B = 0,119 và Nlt = 19

Từ các đồ thị trên ta có bảng sau:

Vậy Rth= 4,628 và Số đĩa lý thuyết là Nlt = 25.

Phương trình đường nồng độ làm việc

* Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn luyện:

Giả thiết hơi bay ra ở đỉnh tháp là thành phần cấu tử dễ bay hơi bằng thànhphần sản phẩm đỉnh, khi đó:

+ Đường nồng độ làm việc của đoạn luyện là phương trình có dạng:

R

x x R

x

R

x x R

R y

Với Rx = 4,628 ; xp = 0,966 (phần mol)

Thay số ta có

Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn luyện :

y = 0,8223.x + 0,1716

* Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng:

Giả thiết hơi ra ở đáy tháp có thành phần cấu tử dễ bay hơi bằng thànhphần sản phẩm đáy, khi đó đường nồng độ làm việc của đoạn chưng có dạng

Từ IX.22 (II-158) => w

x x

R

L x R

L R y

2.3.1 Tính đường kính tháp chưng luyện:

Đường kính tháp được xác định theo công thức:

D =

tb tb

V



 3600

 y ytb

tb

g D



 0188 , 0

Trong đó:

gtb: lượng hơi trung bình đi trong tháp, kg/h

(y.y)tb: tốc độ hơi trung bình đi trong tháp, kg/m2.s

tb

 : tốc độ hơi trung bình đi trong tháp, m/s

Lượng hơi trung bình đi trong tháp, m3/h

Vì lượng hơi và lượng lỏng thay đổi theo chiều cao của tháp và khác nhautrong mỗi đoạn nên ta phải tính lượng hơi trung bình cho từng đoạn

2.3.1.1 Đường kính đoạn luyện:

a Xác định lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện:

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện tính gần đúng bằng trung bình cộng của lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp và lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện

2 1

g g

gtb: lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện, kg/h

gđ: lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp, kg/h

gl: lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện, kg/h

* Lượng hơi ra khỏi đỉnh tháp:

* Lượng hơi đi vào đoạn luyện:

Lượng hơi g1, hàm lượng hơi y1 và lượng lỏng G1 đối với đĩa thứ nhất củađoạn luyện được xác định theo hệ phương trình cân bằng vật liệu và cân bằngnhiệt lượng sau :

g1 = G1 + Gp (1)

g1.y1 = G1.x1 + Gp.xp (2) [II - 182]

g1.r1 = gđ.rđ (3)

Trong đó:

y1: hàm lượng hơi đi vào đĩa 1 của đoạn luyện, phần khối lượng

G1: lượng lỏng đối với đĩa thứ nhất của đoạn luyện(kg/h)

r1: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa(kJ/kg)

rđ: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi ra khỏi đỉnh tháp(kJ/kg)

Từ x1= xF = 0,439 phần mol = 0,378 phần khối lượng

Tra đồ thị lỏng hơi ta được t0

1 = tF = 67,94 0CVới t0

1 = 67,94 0C nội suy theo bảng I.212 trong [I – 254] ta được;

) / ( 96 , 240 ) / ( 55 , 57

kg kJ kg

kcal r

kg kJ kg

kcal r

B A

→ r1 = 240,96.y1 + 195,32.(1– y1) = 195,32+ 45,64.y1

- Tính rđ:

Nhiệt độ sôi của hỗn hợp đỉnh yđ = xP = 0,966 (phần mol) = 0,956 (phần

bảng IX2a (II-147), nội suy ta có: t = 61,04 oC

Xác định giá trị r theo toán đồ hình I.65 - STQTQB T1-255 với t = 61,04 °C:

) / ( 59 , 246 ) / ( 9 , 58

kg kJ kg

kcal r

kg kJ kg

kcal r

B A

 rđ = rA yđ + rB (1 – yđ) = 246,59.0,956 + (1-0,956) 200,96 = 244,58 (kJ/kg)Thay các giá trị tính được vào hệ (1) (2) (3)

Thay y1 = 0,429 vào r1 = 195,32+ 45,64.y1 => r1 = 214,98(kJ/kg)

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện là :

gtbL =

2 1

h kg

, 4352 2

h kg





b Tính khối lượng riêng trung bình :

* Khối lượng riêng trung bình đối với pha hơi được tính theo

273

4 , 22

).

1 (

1 1

T

M y M

bảng IX.2a [II-147] ta được t y tb L C

).

1 (

T

M y M

154 ).

729 , 0 1 ( 5 , 119 729 , 0

y

* Khối lượng riêng trung bình đối với pha lỏng

2 1

1

1 1 1

tb tb

tb x

tb x

a a

956 , 0 378 , 0 2

1  F  P   

tb

a a

1 1 1

tb tb

tb x

tb x

a a





703 , 0 1 02 , 1405

703 ,



75 , 1437



 x tb kg/m3

c Tính tốc độ hơi đi trong tháp:

Đối với tháp đệm khi chất lỏng chảy từ trên xuống và pha hơi đi từ dưới lênchuyển động ngược chiều có thể xảy ra bốn chế độ thuỷ động; Chế độ chảymàng, chế độ quá độ, chế độ xoáy và chế độ sủi bọt ở chế độ sủi bọt thì phalỏng chiếm toàn bộ thể tích tự do và như vậy pha lỏng là pha liên tục Nếu tăngtốc độ lên thì tháp bị sặc Trong phần tính toán này ta tính tốc độ hơi của thápdựa vào tốc độ sặc của tháp

Tốc độ hơi đi trong tháp đệm

.

2

.

y d s

tb

tb

V g

/ 1

x

G

G X

 , :khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha hơi, kg/m3

x, n: độ nhớt của pha lỏng theo nhiệt độ trung bình và độ nhớt của nước

ở 20oC, Ns/m2

, 1437

64 , 4 925 , 7

553 , 6

8 / 1 4

/ 1 8

/ 1 4

/ 1

x

L G

G X

Khối lượngriêng xốp, đ,kg/m3

Từ công thức:

16 , 0 3

.

2

.

y d s

tb

tb

V g

3 16

, 0

3 2

10 0 , 1

10 426 , 0 64 , 4 195

75 , 1437 75 , 0 81 , 9 186 , 0

.

.

x d s

tb

tb

V g Y

 s = 1,185 m/sLấy  = 0,9.s

 y = 0,9.1,185 = 1,066 m/sVậy đường kính của đoạn luyện là:

28529,996

0188 , 0

0188 ,



tb y y

tb L

g D



Quy chuẩn đường kính đoạn luyện là DL = 1,6 m

* Thử lại điều kiện làm việc thực tế.

- Tốc độ hơi thực tế đi trong đoạn luyện là:

849 , 0 64

, 4 6 , 1

0188 , 0 996 , 8529 2

849 , 0

2.3.1.2 Đường kính đoạn chưng:

a Lượng hơi trung bình đi trong tháp :

g  : lượng hơi đi vào đoạn chưng ( kmol/ h )

Vì lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đoạn luyện g n = g1,nên ta có thể viết : gtb =

F

g

’xg

’1

G1, x1

W

xw

1

G

G’1 = g’1 + GW (1’)

G’1 x’1 = g’1 yW + GW xW (2’)

g’1 r’1 = g1 r1 (3’)

Trong đó :

r’1: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng

xW: thành phần cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy

r1: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa trên cùng của đoạn chưng

Ta có : GW = 7801,19 (kg/h)

xW = 0,056 phần mol = 0,044 phần khối lượng

- Tính r’1

r’1 = rA y’1 + ( 1 – y’1 ) rB

rA, rB : ẩn nhiệt hóa hơi của cấu tử nguyên chất ở to = tW

r’1 : ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp ra khỏi đoạn chưng

y’1 = yW* = 0,076 phần mol = 0,06 phần khối lượng

Ứng với xW = 0,076 nội suy theo bảng cân bằng lỏng hơi ta được: tW = 76,55 oC Xác định giá trị r theo toán đồ hình I.65 - STQTQB T1-255 với nhiệt độ sôiđáy tháp là tW = 76,55 oC ta có:

) / ( 93 , 233 ) / ( 87 , 55

kg kJ kg

kcal r

kg kJ kg

kcal r

h kg

2

54 , 3234 4 12300 93

, 4352 2

h kg







b Tính khối lượng riêng trung bình:

* Khối lượng riêng trung bình đối với pha hơi được tính theo:

273 '

4 , 22

' 1 (

'

T

M y M



bảng IX.2a [II-147] ta được t tbC0  72 , 3 0C

 T = 72,3 + 273 = 345,3 0K

Vậy khối lượng riêng trung bình của pha hơi đối với đoạn chưng là:

3 , 345 4 , 22

154 ).

284 , 0 1 ( 5 , 119 284 , 0

y

* Khối lượng riêng trung bình đối với pha lỏng

) / ( '

1 ' '

B

tb A

tb xtb  

 'xtb : Khối lượng riêng trung bình đối với pha lỏng (kg/m3)

 'A,  'B: khối lượng riêng của Clorofom và Cacbontetraclorua ở pha lỏng lấytheo to

' 1

bảng IX.2a [II-147] ta được t x0tb  71 , 48 0C

ứng với t0 = 71,48 °C Nội suy theo bảng I.2 trong [I-9] ta được:

2 , 1393



A

 kg/m3

6 , 1490

tb xtb

a a

'

1 ' '

218 ,



27,1467

'



 x tb kg/m3

c Tính tốc độ hơi đi trong đoạn chưng:

Tốc độ hơi đi trong tháp đệm được áp dụng theo công thức:

.

2

.

y d s

tb

tb

V g

/ 1

x

G

G X

 , :khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha hơi, kg/m3

x, n: độ nhớt của pha lỏng theo nhiệt độ trung bình và độ nhớt của nước ở

518 , 0 27

, 1467

09 , 5 296 , 9

341 , 11

8 / 1 4

/ 1 8

/ 1 4

/ 1

x C

G

G X

y d s C

tb

tb

V g

3 16

, 0

3 2

10 0 , 1

10 473 , 0 09 , 5 195

27 , 1467 75 , 0 81 , 9 151 , 0

.

.

x d s

tb

tb

V g Y

0188 , 0

0188 ,



tb y y

tb C

g D



Quy chuẩn đường kính đoạn chưng là DC = 1,6 m

* Thử lại điều kiện làm việc thực tế:

- Tốc độ hơi thực tế đi trong đoạn chưng là:

908 , 0 09

, 5 6 , 1

0188 , 0 21 , 3466 3

908 , 0

hđv: chiều cao của một đơn vị chuyển khối, m

my: số đơn vị chuyển khối xác định theo nồng độ pha hơi

2.4.1 Tính chiều cao đoạn luyện:

a Tính chiều cao của một đơn vị chuyển khối:

- Chiều cao của một đơn vị chuyển khối của tháp đệm phụ thuộc vào đặc trưng của đệm và trạng thái pha, được xác định theo công thức

2

G

G m h h

x

y

dv   [II – 177] Trong đó:

h1: chiều cao của một đơn vị chuyển khối đối với pha hơi

h2: chiều cao của một đơn vị chuyển khối đối với pha lỏng

m: hệ số phân bố trung bình ở điều kiện cân bằng pha

Gy, Gx: lưu lượng hơi và lỏng trung bình đi trong tháp, kg/s

* Tính chiều cao của một đơn vị chuyển khối h 1 , h 2 :

3 / 2 25 , 0





5 , 0 25 , 0 3 / 2

x: khối lượng riêng của lỏng, kg/m3

: hệ số thấm ướt của đệm, nó phụ thuộc vào tỷ số giữa mật độ tưới thực tế lên tiết diện ngang của tháp và mật độ tưới thích hợp, xác định theo đồ thị IX.16 [II - 178]

Với

t

x tt

F

V

U  : mật độ tưới thực tế, m3/m2.h

Utt = B.đ : mật độ tưới thích hợp, m3/m2.hTrong đó:

Vx: lưu lượng thể tích của chất lỏng, m3/h

Ft: diện tích mặt cắt tháp, m2

đ: bề mặt riêng của đệm, m2/m3

B: hằng số, B = 0,065 m3/m.h Bảng IX.6 trong [II – 177]

- Chọn đệm loại vòng Rasiga có các thông số :

25x25x3,0 mm; Vđ = 0,75 m3/m3; đ = 195 m2/m3; a = 0,123

* Xác định :

17 , 23591

G V

16 , 8 01 , 2

41 , 16

16 , 8

Tính và dựng theo hình IX.16 trong [II – 178] ta được

L = 0,71

* Xác định chuẩn số Reynon:

- Chuẩn số Reynon của pha hơi:

d y

s y y

Ta có y = hh được tính theo

B

B A

A hh

hh m M m M M







2 1

a a

a a

1

tb

A tb

M y M

y

M y a

a1 = 0,676 phần khối lượng

Sử dụng bảng I.113 trong [I – 116] và t y tb L C

0

0 65,23 ta tìm được

3 10 0115 ,

0115 , 0

676 , 0 1

066 , 1 64 , 4 4 , 0

- Chuẩn số Reynon của pha lỏng:

x d t

04 , 0

533 , 6 04 , 0

.

04 , 0

x d t

x x

A y

M M v

v P

T

) (

10 0043 , 0

2

5 , 1 4

T: nhiệt độ trung bình của hơi, 0K

P: áp suất chung của hơi, P = 1at

MB = 154: khối lượng phân tử của cấu tử CCl4

MA = 119,5: khối lượng phân tử của cấu tử CHCl3

vA, vB: thể tích mol của hơi CHCl3 và CCl4, cm3/nguyên tử

1 ) 2 , 113 3

, 92 (

1

) 23 , 338 (

10 0043 , 0

2

5 , 1 4

10 0114 , 0



y y

y y

D





* Xác định hệ số khuếch tán trong pha lỏng

Được xác định theo công thức: D x =D 20 [1+b(t-20)] [II – 134]

Với 0.32







b : Hệ số nhiệt độ lấy ở 20 0 C [II – 135]

: khối lượng riêng của dung môi Cacbontetraclorua ở 200C Tra bảng I.2 Sổ tay tập 1, T9 ta có:  = 1594 kg/m3

: Độ nhớt của dung môi Cacbontetraclorua ở 200C  =B=0,97.10-3 Ns/m3= 0,97cP

1594

97 , 0 2 , 0

6

20

) (

.

1 1 10 1

B A B

B A V V B

A

M M D

6

2 , 113 3

, 92 97 , 0 1 94 , 0

154

1 5 , 119

1 10 1