ĐỒ án môn học TÍNH TOÁN và THIẾT kế hệ THỐNG THIẾT bị CHƯNG cất mâm CHÓP DÙNG để CHƯNG cất hỗn hợp LỎNG nước– ACID ACETC

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC

BÁO CÁO ĐỒ ÁN MƠN HỌC
TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG THIẾT BỊ CHƯNG CẤT
MÂM CHÓP DÙNG ĐỂ CHƯNG CẤT HỖN HỢP LỎNG NƯỚC– ACID ACETC

Họ và tên: Nguyễn Trần Lan Chi MSSV: 18029831
Giảng viên hướng dẫn: PHẠM VĂN HƯNG
Môn học phần: Thực hành tính tốn hệ thống và thiết kế thiết bị
Lớp học phần: Đại học Hóa Hữu Cơ 14A - 420300324801
Năm học: 2020-2021

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2021


Mục Lục:

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN.....................................................................................................................4

1.

Lý thuyết về chưng cất.......................................................................................................4
1.1.

Khái niệm:................................................................................................................................4

1.2.

Các phương pháp chưng cất....................................................................................................4

2.

Giới thiệu về nguyên liệu....................................................................................................6
2.1.

Aceton:....................................................................................................................................6

2.2.

Nước:.......................................................................................................................................8

2.3.

Hỗn hợp Nước - Acid acetic.....................................................................................................9

3.

Công nghệ chưng cất hệ Nước - Acid acetic.....................................................................9

CHƯƠNG 2: CÂN BẰNG VẬT CHẤT.................................................................................................11

I. Thông số ban đầu:................................................................................................................11
II. Xác định xuất lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy...................................................11
III. Xác định tỉ số hồn lưu thích hợp....................................................................................13
1. Tỉ số hoàn lưu tối thiểu Rmin...........................................................................................................13
2. Tỉ số hoàn lưu thích hợp R............................................................................................................13
3. Phương trình đường làm việc, số mâm lý thuyết và số mâm thực tế...........................................14
4.

Xác định hiệu suất trung bình thiết bị và số mâm thực tế.........................................................15

CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG..........................................................................................18

I.

Số liệu ban đầu..................................................................................................................18

II. Cân bằng năng lượng trong thiết bị gia nhiệt nhập liệu...............................................18
III. Cân bằng năng lượng trong tháp chưng cất...................................................................20
IV. Cân bằng năng lượng trong thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh.....................................24
V. Cân bằng năng lượng trong thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh....................................24
VI. Cân bằng năng lượng trong thiết bị làm nguội sản phẩm đáy.....................................26
CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN THIẾT BỊ CHÍNH....................................................................................28

I.

Đường kính tháp:..............................................................................................................28
1.

Đường kính đoạn cất.................................................................................................................28

2.

Đường kính đoạn chưng............................................................................................................32

II. Chiều cao tháp...................................................................................................................35
III. Mâm chóp..........................................................................................................................36
1.

Tính tốn mâm chóp và ống chảy chuyền:.................................................................................36

2.

Bố trí ống chảy chuyền:.............................................................................................................42

3.

Độ giảm áp:................................................................................................................................43
2


4.

Trở lực tháp:..............................................................................................................................48

CHƯƠNG 5: TÍNH TỐN CƠ KHÍ.....................................................................................................56

I.

Tính bề dày thân trụ của tháp.........................................................................................56

II. Tính – chọn bề dày đáy và nắp thiết bị...........................................................................59
III. Bích ghép thân đáy và nắp...............................................................................................61
IV. Đường kính các ống dẫn – Bích ghép các ống dẫn........................................................63
V. Chân đỡ và tay treo thiết bị.............................................................................................70
1.

Tính khối lượng tồn tháp:........................................................................................................70

2.

Chọn tai treo:.............................................................................................................................73

3.

Chân đỡ:....................................................................................................................................74

VI. Tính lớp cách nhiệt...........................................................................................................75
CHƯƠNG 6: TÍNH THIẾT BỊ PHỤ.....................................................................................................76

I.

Thiết gia nhiệt nhập liệu :................................................................................................76
1.

Suất lượng hơi nước cần dùng :.................................................................................................78

2.

Xác định bề mặt truyền nhiệt:...................................................................................................78

II. Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy:.....................................................................................84
III. Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh:...................................................................................85
IV. Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh:.................................................................................86
V. Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy:...................................................................................87
VI. Chọn bơm..........................................................................................................................88
1.

Năng suất:..................................................................................................................................88

2.

Cột áp:.......................................................................................................................................88

3.

Tính tổng trở lực của tháp:........................................................................................................89

4.

Tính cột áp của bơm:.................................................................................................................91

5.

Công suất:..................................................................................................................................91

Tài liệu tham khảo:.................................................................................................................................92

3


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.

Lý thuyết về chưng cất

1.1. Khái niệm:
Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng cũng như hỗn hợp khí

lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của cấu tử trong hỗn hợp (nghĩa là
khi ở cùng một nhiệt độ, áp suất hơi bão hịa của các cấu tử khác nhau).
Thay vì đưa vào trong hỗn hợp một pha mới để tạo nên sự tiếp xúc giữa hai pha như trong
quá trình hấp thụ hoặc nhã khí, trong q trình chưng cất pha mới được tạo nên bằng sự bốc hơi
hoặc ngưng tụ.
Trong trường hợp đơn giản nhất, chưng cất và cô đặc không khác gì nhau, tuy nhiên giữa hai
q trình này có một ranh giới cơ bản là quá trình chưng cất dung môi và chất tan đều bay hơi
(nghĩa là các cấu tử đều hiện diện trong cả hai pha nhưng với tỷ lệ khác nhau), cịn trong q
trình cơ đặc thì chỉ có dung mơi bay hơi cịn chất tan không bay hơi.
Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu được bấy nhiêu
sản phẩm. Nếu xét hệ đơn giản chỉ có 2 cấu tử thì ta thu được 2 sản phẩm:
- Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm các cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần rất ít các cấu tử có
độ bay hơi bé.
- Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi bé và một phần rất ít cấu tử có độ bay
hơi lớn.
Đối với hệ Nước - Acid aceticthì:
-

Sản phẩm đỉnh chủ yếu là Aceton và một ít nước.

-

Sản phẩm đáy chủ yếu là nước và một ít Aceton.

1.2.

Các phương pháp chưng cất

1.2.1. Phân loại theo áp suất làm việc:
-

Áp suất thấp

-

Áp suất thường

-

Áp suất cao

4


1.2.2. Phân loại theo nguyên lý làm việc:
-

Chưng cất đơn giản

-

Chưng bằng hơi nước trực tiếp

-

Chưng cất

1.2.3. Phân loại theo phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp:
-

Cấp nhiệt trực tiếp

-

Cấp nhiệt gián tiếp

Trong trường hợp này, do sản xuất Aceton với yêu cầu có độ tinh khiết cao khi sử dụng,
với hỗn hợp Aceton - nước là hỗn hợp không có điểm đẳng phí nên chọn phương pháp chưng
cất liên tục cấp nhiệt gián tiếp bằng nồi đun ở áp suất thường là hiệu quả nhất.
1.2.4. Thiết bị chưng
Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để tiến hành chưng cất. Tuy
nhiên yêu cầu cơ bản chung của các thiết bị vẫn giống nhau nghĩa là diện tích bề mặt 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.


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. Tùy theo cấu tạo của
đĩa, ta có:
 Tháp mâm chóp: trên mâm bố trí có chóp dạng trịn, xupap, chữ S…
 Tháp mâm xun 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: xếp ngẫu
nhiên hay xếp thứ tự.

Ở đây, ta so sánh ưu và nhược điểm của các loại tháp này:

Tháp chêm
Ưu điểm

-Cấu tạo khá đơn giản.

Tháp mâm xun
lỗ
- Trở lực tương đối
5

Tháp mâm chóp
- Có tính ổn định cao.


- Trở lực thấp.

thấp.

- Hiệu suất cao.

- Làm việc được với chất
lỏng bẩn nếu dùng đệm có
cầu có p ≈ p của chất lỏng.

- Hiệu suất khá
cao.

- Dễ dàng làm vệ sinh
thơng qua các cửa sữa
chữa.

- Chi phí tháp mâm có
đường kính lớn rẻ
- Tổng khối lượng tháp
mâm thường nhỏ hơn
so với tháp chêm.
- Có

Nhược điểm

- Do có hiệu ứng thành,
nên hiệu suất truyền khối
thấp.

- Không làm việc
được với chất lỏng
bẩn.

- Độ ổn định khơng cao,
khó vận hành.

- Kết cấu khá phức
tạp.

- Có trở lực lớn.
- Tiêu tốn nhiều vật tự,
kết cấu phức tạp

-Do có hiệu ứng thành,
nên khi tăng năng suất thì
hiệu ứng thành tăng, làm

khó tăng năng suất.
- Thiết bị khá nặng n

Vậy sẽ chọn tháp mâm chóp để chưng cất hệ Nước - Acid acetic
2. Giới thiệu về nguyên liệu
Nguyên liệu gồm hỗn hợp Aceton - Nước.
2.1.

Aceton:
Aceton có cơng thức phân tử: CH3-CO-CH3. Khối lượng phân tử: 58,079 đvC.
Là chất lỏng không mùi, dễ lưu động và dễ cháy, với một cách êm dịu và có mùi thơm.

Hịa tan vơ hạn trong nước và một số hợp chất hữu cơ: eter, metanol, etanol, diaceton
alcohol,…
 Một số thông số vật lý và nhiệt độ của etanol:


Nhiệt độ nóng chảy : -94,6oC



Nhiệt độ sôi : 56,9oC
6


 Tỷ trọng :


Nhiệt dung riêng CP : 22 Kcal/mol (Chuẩn ở 102oC)



Độ nhớt μ : 0,316 cp (ở 250oC)



Nhiệt trị : 0,5176 cal/g (ở 20oC)

 Tính chất hóa học:


Cộng hợp với natri bisunfit:

CH3-CO-CH3 + H2O→ CH3-(OH)C(CH3)- SO3Na
( 1-metyl-1-hydroxi etan sunfonat natri)


Cộng hợp acid HCN:

CH3-CO + HCN → CH3-(OH)CO(CH3)-CH3
(ph= 4 – 8)


Phản ứng ngưng tụ:

CH3-CO-CH3 + HCH2-(CH3)CO → CH3-(OH)CO(CH3)-CH2-CO-CH3
(4-oxy-4-metyl-2-pentanon)
Aceton khó bị oxi hóa bởi thuốc thử Pheling, Toluen, HNO 3đđ, KMnO4,... Chỉ bị oxi hóa bởi hỗn
hợp KMnO4 + H2SO4, Sunfocromic K2Cr2O7 + H2SO4... Bị gãy mạch cacbon.
CH3-CO-CH3 → CH3-CO-CH2OH → CH3-CO-CHOH → CH3COOH + HCOOH



Phản ứng khử hóa:

CH3-CO-CH3 + H2 → CH3-CH(OH)-CH3


Điều chế:

Oxy hóa rượu bậc 2:
CH3-CH(OH)-CH3 → CH3-CO-CH3 + H2O
Theo phương pháp Piria: nhiệt phân muối canxi của acid cacboxylic:
(CH3COO)2Ca → CH3-CO-CH3 + CaCO3
Từ dẫn xuất cơ mangiê:
CH3-CO-Cl + CH3-Mg-Br → CH3-CO-CH3 + Cl-Mg-Br
7


 Sản xuất Aceton
Tổng hợp Aceton bằng cách Dehydro Isopropyl Alcol có xúc tác:
CH3-CH(OH)-CH3 + 15,9 Kcal (ở 327oC) → CH3-CO-CH3 + H2
-

Xúc tác sử dụng ở đây: đồng và hợp kim của nó, oxit kim loại và muối.

-

Ở nhiệt độ khoảng 325oC, hiệu suất khoảng 97%.

-

Dịng khí nóng sau phản ứng gồm có: Aceton, lượng Isopropyl Alcol chư phản ứng, H 2
và một phần nhỏ sản phẩm phụ ( như Propylene, diisopropyl eter,…). Hỗn hợp này được
làm lạnh và khí khơng ngưng được lọc bởi nước. Dung dịch lỏng được đem đi chưng cất
phân đoạn, thu được Aceton ở đỉnh và hỗn hợp của nước, Isopropyl Alcol (ít) ở đáy.

Ngồi ra, cịn một số q trình sản xuất Aceton khác:
-

Oxi hóa Cumene Hydro Peroxide thành Phenol và Aceton

-

Oxi hóa trực tiếp Butan – Propan

-

Lên men Cacbon hydrate bởi vi khuẩn đặc biệt

-

Cơng ty Shell sử dụng nó như một sản phẩm phụ.

 Ứng dụng
Aceton được ứng dụng nhiều làm dung mơi cho cơng nghiệp, ví dụ cho vecni, sơn, sơn
màu, cellulose acetate, nhựa, cao su,… Nó hịa tan tốt tơ acetate, nitroxenluloz, nhựa phenol
focmandehyt, chất béo, dung môi pha sơn, mực in ống đồng. Aceton là nguyên liệu để tổng hợp
thủy tinh hữu cơ.
Từ Aceton có thể tổng hợp ceten, sumfonat (thuốc ngủ), các holofom.
2.2.

Nước:

Trong điều kiện bình thường, nước là chất lỏng không màu, không mùi, không vị, nhưng
khối nước dày dầy có màu xanh nhạt. Khi hóa rắn nó có thể tồn tại ở 5 dạng tinh thể khác nhau.
Khối lượng phân tử: 18 (g/mol)
Khối lượng riêng:

1 (g/mol)

Nhiệt độ nóng chảy:

0oC

Nhiệt độ sơi:

100oC

Nước là hợp chất chiếm phần lớn trên trái đất (3/4 diện tích trái đất là nước biển) và rất cần
thiết cho sự sống.
8


Nước là dung mơi phân cực mạnh, có khả năng hịa tan nhiều nhất và là dung mơi rất quan
trọng trong kỹ thuật hóa học.
2.3.

Hỗn hợp Nước - Acid acetic
Bảng 1: Thành phần lỏng (x)- hơi(y) tính bằng %mol và nhiệt độ sôi của hỗn hợp AcetonNước ở 760mmHg:

X (%phần mol)
Y (%phần mol)
T (oC)

0
0
100

5
60.3
77.9

10
72
69.6

20
80.3
64.5

30
82.7
62.6

40
84.2
61.6

50
85.5

60.7

60
86.9
59.8

70
88.2
59

80
90.4
58.2

90
94.3
57.5

100
100
56.9

100
90
80
70

y

60

50
40
30
20
10
0

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

x

Hình 1: Đồ thị của hệ Nước - Acid acetic
3. Công nghệ chưng cất hệ Nước - Acid acetic
Aceton là một chất lỏng tan vô hạn trong nước, nhiệt độ sôi của Aceton là 56,9 oC ở 760
mmHg và nhiệt độ sôi của nước là 100 oC ở 760 mmHg. Nhiệt độ sôi của Aceton và nước là cách
biệt khá xa nên phương pháp hiệu quả nhất để thu được Aceton tinh khiết là phương pháp chưng
cất dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp.
Trong trường hợp này, ta không thể sử dụng phương pháp cơ đặc vì các cấu tử đều có khả
năng bay hơi và khơng sử dụng phương pháp trích ly cũng như phương pháp hấp phụ do phải
đưa vào một khoa mới để tách, có thể làm q trình phức tạp hơn hay q trình tách khơng được
hoàn toàn.
9


E-101
Thiết bị
gia
nhiệt
nhập
liệu

E-102
Thiết bị
ngưng
tụ

E-103
Thiết bị
làm
nguội

sản
phẩm
đỉnh

E-104
Nồi đun
đáy
tháp

E-105
Thiết bị
làm nguội
sản phẩm
đáy

T-101
V-101
Tháp Bồn chứa
chưng nhập liệu
cất

V-103
Bồn
chứa
sản
phẩm
đỉnh

V-104
Bồn

chứa
sản
phẩm
đáy

Hình 2. Sơ đồ quy trình cơng nghệ

 Thuyết minh quy trình cơng nghệ hệ chưng cất Nước - Acid acetic:
Hỗn hợp Nước - Acid aceticcó nồng độ aceton 32% phần khối lượng, nhiệt độ khoảng
28 C tại bình chứa nguyên liệu (V-101) được bơm bơm lên qua bộ phận điều chỉnh lưu lượng
vào thiết bị gia nhiệt nhập liệu (E-101) bằng hơi nước bão hòa để gia nhiệt đến nhiệt độ sôi rồi
o

10


chuyển sang trạng thái lỏng – sôi. Hỗn hợp sau khi gia nhiệt được đưa vào tháp chưng cất (T –
101) ở đĩa nhập liệu.
Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng ở đoạn cất của tháp chảy xuống.
Trong tháp, hơi đi từ dưới lên gặp chất lỏng từ trên xuống. Ở đây, có sự tiếp xúc và trao đổi giữa
hai pha với nhau. Pha lỏng chuyển động trong phần chưng càng xuống dưới càng giảm nồng độ
các cấu tử dễ bay hơi do pha hơi được tạo nên từ nồi đun nên đã lôi cuốn cấu tử dễ bay hơi.
Nhiệt độ càng lên trên càng thấp, nên khi hơi đi qua các đĩa từ dưới lên thì cấu tử có nhiệt độ sơi
cao là nước sẽ ngưng tụ, trên đỉnh tháp thu được hỗn hợp trong đó aceton chiếm nhiều nhất.
Phần hơi này sẽ qua thiết bị ngưng tụ (E-102) chia làm 2 dòng. Dòng thứ nhất, cấu tử có nhiệt độ
cao hơn là nước sẽ ngưng tụ và hoàn lưu lại về tháp chưng cất (T-101) ở đĩa trên cùng, phần còn
lại đi qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (E-103) ở 30 oC và ta thu được hỗn hợp có cấu tử
aceton chiếm nhiều nhất có nồng độ 97% phần khối lượng ở bồn chứa (V-103). Pha lỏng chuyển
động trong phần chưng càng xuống dưới càng giảm nồng độ đi ra ở đáy tháp vào thiết bị nồi đun
(E-104), trong nồi đun dung dịch lỏng một phần sẽ bốc hơi hoàn lưu về tháp để tiếp tục làm việc,

phần còn lại ra khỏi nồi đun được trao đổi nhiệt ở thiết bị làm nguội sản phẩm đáy (E-105) về
30oC và thu được hỗn hợp có cả nước và aceton (aceton chiếm 10%) tại bồn chứa (V-104).

CHƯƠNG 2: CÂN BẰNG VẬT CHẤT
I. Thông số ban đầu:
-

Lưu lượng khối lượng của dòng nhập liệu: F = 1200 (kg/h)
Phần khối lượng cấu tử dễ bay hơi trong dòng nhập liệu: x F = 0,1 (kg/kg hh)

-

Phần khối lượng cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đỉnh: x P = 0,9 (kg/kg hh)
Phần khối lượng cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy: x W = 0,05 (kg/kg hh)

-

Khối lượng phân tử của Aceton: MA = 18 (kg/ kmol)

-

Khối lượng phân tử của Nước: MN = (kg/ kmol)

-

Nhiệt độ ban đầu của nhập liệu: to = tF = 28oC

-

Nhiệt độ sau khi làm nguội sản phẩm đỉnh: tP = 30oC

-

Nhiệt độ sau khi làm nguội sản phảm đáy: tW = 30oC

-

II. Xác định xuất lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy
-

Phần mol nhập liệu theo cấu tử dễ bay hơi (aceton):

11


xF
0,32
MA
58
xF=
=
=0,127 ( kmol A /kmol hh )
x F ( 1−x F ) 0,32 ( 1−0,32 )
+
+
58
18
MA
MN

 Phần mol sản phẩm đỉnh theo cấu tử dễ bay hơi (aceton):
xP
0,97
MA
58
xP=
=
=0,909 ( kmol A /kmol hh )
x P ( 1−x P ) 0,97 ( 1−0,97 )
+
+
58
18
MA
MN

 Phần mol sản phẩm đáy theo cấu tử dễ bay hơi (aceton):
xW
0,1
MA
58
xW=
=
=0,033 ( kmol A /kmol hh )
x W ( 1−x W ) 0,1 ( 1−0,1 )
+
+
58
18
MA

MN
-

Khối lượng phân tử trung bình của dịng nhập liệu:
M Ftb =x F . M 1+ ( 1−x F ) . M 2
¿ 0,127.58+ ( 1−0,127 ) .18=¿ 23,08 (g/mol)

 Khối lượng phân tử trung bình của dịng sản phẩm đỉnh:
M Ptb=x P . M 1 + ( 1−x P ) . M 2
¿ 0,909.58+ ( 1−0,909 ) .18 = 54,36 (g/mol)

 Khối lượng phân tử trung bình của dịng nhập liệu:
W
M tb =x P . M 1 + ( 1−x P ) . M 2
¿ 0,033.58+ ( 1−0,033 ) .18 = 19,32 (g/mol)

-

Lưu lượng khối lượng dòng nhập liệu:
F=

-

F
1800
=
=77,99 ( kmol/h )
F
M tb 23,08

Phương trình cân bằng vật chất cho tồn bộ tháp chưng cất:
F=P+W (1)
F × x F =x P × P+ x W × W ( 2 )

Từ (1) và (2) ta có hệ phương trình:
12


{
⟺

F=P+W
F . x F =P . x P +W . x W

77,99=P+W
{77,99.0,127=P
.0,909+W .0,033

{

⟺ P=8,369 ( kmol /h )
W =69,621 ( kmol /h )

⟹

{

P=8,369.58 .0,909+ 8,369.18 . ( 1−0,909 )=454,94( kg/h)
W =69,621.58 .0 .033+ 69,621.18 . ( 1−0,033 )=1345,08 ( kg /h )

III. Xác định tỉ số hồn lưu thích hợp
1. Tỉ số hồn lưu tối thiểu Rmin


Xác định chỉ sớ hoàn lưu thích hợp:
¿
Ta có: x F =0,127 => y F =0,735
¿

x − y F 0,909−0,735
Rmin = P¿
=
=0,286=b∗R min
y F −x F 0,735−0,127

2. Tỉ số hồn lưu thích hợp R
Bảng 3: Bảng tính số mâm lý thuyết và (R+1).Nlt

STT
1
2
3
4
5
6
7
8

b
1.2

1.4
1.6
1.8
2
2.2
2.4
2.5

Rmin

0.286

R
0.343
0.4
0.458
0.515
0.572
0.629
0.686
0.715

13

Nlt
6.9
6
5.5
5.2
4.9

4.85
4.7
4.6

(R+1).Nlt
9.315
8.4
8.03
7.904
7.742
7.906
7.943
7.912


Hình 3: Đồ thị xác định chi số hồn lưu thích hợp

⇒Vậy chỉ số hồn lưu thích hợp: Ropt = 0,58

3. Phương trình đường làm việc, số mâm lý thuyết và số mâm thực tế
3.1.

Phương trình đường làm việc của
đoạn cất:
y cất =
y cất =

R
1
. x+

.x
R +1
R+1 P

0,58
1
. x+
.0,909
0,58+1
0.58+1

y cất =0,367 x +0,575

3.2.

Phương trình đường làm việc của
đoạn chưng:

Với chỉ số nhập liệu:
f=

x P −xW 0.909−0.033
=
=9,319
x F −x W 0.127−0.033

y chưng =
y chưng =

R+ f

f −1
. x−
.x
R+1
R+1 w

0,58+ 9,319
9,319−1
. x−
.0,033
9,319+1
0,58+1

y chưng =0,959 x −0,174

14


3.3.

Số mâm lý thuyết

Hình 4: Đồ thị xác định số mâm lý thuyết của hệ Nước - Acid acetic
⇒Từ đồ thị, ta có: số mâm lý thuyết Nlt = 5 mâm

4. Xác định hiệu suất trung bình thiết bị và số mâm thực tế
Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình:
N tt =

N¿

( mâm)
ηtb

Trong đó:
ηtb là hiệu suất trung bình của mâm, là một hàm số của độ bay hơi tương đối và
độ nhớt của hỗn hợp lỏng: η=f (α , μ).
N ¿: Số mâm lý thuyết.
N tt : Số mâm thực tế
 Xác định hiệu suất trung bình của tháp chưng cất ηtb :

Độ bay hơi tương đối của cấu tử dễ bay hơi:
α=

y 1−x
∙
1− y x

15


Trong đó:
x : phần mol của aceton trong pha lỏng.

y ¿: phần mol của trong pha hơi cân bằng với pha lỏng.



Tại vị trí mâm nhập liệu:
x F =0,127 tra đồ thị cân bằng của hệ Nước - Acid acetic: y F=¿ 0,742
t sF=68,44 ℃

Tại t sF=68,44oC tra bảng I.101 trang 91, I.102 trang 95 sổ tay QTTB tập 1 và nội suy ta xác
định được:

(

μ N =0,4142×10−3 N .
−3

μ A =0,2126 ×10 (N .

o

s
2
m

)

s
)
2
m

Độ nhớt của hỗn hợp lỏng:

−3
−3
log μhh=x F ×log μ N + ( 1−x F ) × log μ A =0,127 × log ( 0,4142× 10 ) + ( 1−0.127 ) ×log ( 0,2126 × 10 )

Vậy: μhh=2,32 ×10
→α=

−4

(

N.

)

s
=0,232(cP)
m2

0,742
1−0.127
×
=19,77
1−0,742
0.127

Vậy: α × μhh=0.232 ×19,77=4,59 . Tra hình IX.11 trang 171 sổ tayQTTB tập 2 xác định
được:
η F =0.32



Tại vị trí mâm đỉnh:
x P =0,909 tra đồ thị cân bằng của hệ Nước - Acid acetic: y P=¿0,948

t sP=57,45 ℃

Tại t sP=57,45 oC tra bảng I.101 trang 91, I.102 trang 95 sổ tay QTTB tập 1 và nội suy ta xác
định được:
−3

μ N =0,4866× 10

16

( N . ms )
2


μ A =0,2419 ×10−3(N .

s
)
2
m

o Độ nhớt của hỗn hợp lỏng:
log μhh =x P × log μ N + ( 1−x P ) × log μ A=0.909× log ( 0,2419 ×10−3 )+ ( 1−0,909 ) × log ( 0,4866 × 10−3 )

(

−4
Vậy: μhh=2,58 ×10 N .

→α=

)

s
=0,258(cP)
m2

0,948
1−0,909
×
=1,83
1−0,948
0,909

Vậy: α × μhh =1,83 ×0,258=0,47 Tra hình IX.11 trang 171 sổ tayQTTB tập 2 xác định được:
η P=0,6



Tại vị trí mâm đáy:
x W =0,033 tra đồ thị cân bằng của hệ Nước - Acid acetic: y W =¿0,398
t sW =85,41℃

Tại t sW =85,41oC tra bảng I.101 trang 91, I.102 trang 95 sổ tay QTTB tập 1 và nội suy ta xác
định được:

(

)

μ N =0,3331×10−3 N .

s
m2

μ A =0,1781 ×10−3 (N .

s
)
m2

o Độ nhớt của hỗn hợp lỏng:
−3
−3
log μhh=x W × log μ N + ( 1−xW ) × log μ A =0,033 ×log ( 0,3331 ×10 )+ ( 1−0,033 ) × log ( 0,1781×10 )

(

−4
Vậy: μhh =1,82 ×10 N .

)

s
=0,182(cP)
m2
α=

0,398
1−0,033

×
=19,3 7
1−0,398
0,033

α × μhh =1 9,37 ×0,182=0,52

Tra hình IX.11 trang 171 sổ tayQTTB tập 2 xác định được:
17


η P=0,58
⇒Hiệu suất trung bình của tháp chưng cất:

ηtb =


η F +η P +ηW 0,32+0,6+ 0,58
=
=0,5
3
3

Số mâm thực tế của tháp chưng cất Ntt:
N tt =

N¿ 5
= =10 (mâm)
ηtb 0,5

{

⇒ 5 mâm phần chưng
5 mâm phần cất

CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
I. Số liệu ban đầu
-

Nhiệt độ ban đầu của nhập liệu: to = tF = 28oC

-

Nhiệt độ sau khi làm nguội sản phẩm đỉnh: tP = 30oC

-

Nhiệt độ sau khi làm nguội sản phảm đáy: tW = 30oC

-

Nhiệt độ sôi tra tại bảng 1X.2a. Cân bằng lỏng – hơi trang 145 Sổ tay QTTB tập 2
Với xF = 0,127 → Nhiệt độ sơi của dịng nhập liệu tsF = 68,22oC
Với xP = 0,909 → Nhiệt độ sơi của dịng sản phẩm đỉnh tsP = 57,45oC
Với xW = 0,033 → Nhiệt độ sơi của dịng sản phẩm đáy tsW = 85,41oC

-

Nhiệt độ nước vào thiết bị ngưng tụ, làm nguội sản phẩm: tnv = 25oC

-

Nhiệt độ nước vào thiết bị ngưng tụ, làm nguội sản phẩm: tnr = 40oC

18


II. Cân bằng năng lượng trong thiết bị gia nhiệt nhập liệu

Phương trình cân bằng:
Năng lượng vào = Năng lượng ra
Q1 +Q3=Q2 +Q4 +Q tt (J/h)
-

Nhiệt lượng do nhập liệu mang vào Q1 :
Q1=F .C F . t F (J/h)

Trong đó:
F Lưu lượng nhập liệu (Kg/h)

CF nhiệt dung riêng của hỗn hợp ở tF (J/kg.K)
tF nhiệt độ đầu hỗn hợp nhập liệu (oC)
-

Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào Q3:
Q3=D 3 . λ3 =D 3 . ( r 3 +θ3 . C3 ) (J/h)

Trong đó:
D3 lượng hơi đốt cần dùng (Kg/h)
λ 3 nhiệt lượng riêng ( hàm nhiệt) của hơi đốt (J/Kg)

r 3 ẩn nhiệt hoá hơi (J/Kg)
θ3 nhiệt độ nước ngưng ¿)

C3 nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg.K)
-

Nhiệt do hỗn hợp đầu mang ra Q2:
Q2=F .C sF . t sF (J/h)

Trong đó:
F Lưu lượng nhập liệu (Kg/h)

CsF nhiệt dung riêng của hỗn hợp ở tsF (J/kg.K)
tsF nhiệt độ sôi của hỗn hợp nhập liệu (oC)
19


-

Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra Q4:
Q4 =G4 . C4 . θ 4=D4 . θ4 . C 4

(J/h)

Trong đó:
G4 Lượng nước ngưng, bằng lượng hơi đốt D4 (kg/h)
-

Nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh lấy bằng 5% nhiệt tiêu tốn:
Qtt =0,05 .Q3=0,05 . D3 . r 3 (J/h)

-

Lượng hơi đốt cần thiết để đun dung dịch đầu đến nhiệt độ sôi:
D 3=

¿

Q 2 −Q 1
0.95 . r 3

F . ( C sF . t sF−C F .t F )
0.95 . r 3

(kg /h)

Tính tốn số liệu:
-

Năng suất nhập liệu: F = 1800 (kg/h)

-

Hơi đốt là hơi nước bão hịa có Ptđ = 2 at, tra bảng I.251 trang 314 số tay QTTB tập 1:
⟶Nhiệt hóa hơi của hơi nước bão hòa: r 1 = 2208.103 (J/kg)

-

Tại tsF = 68,22oC tra bảng I.154 trang 172 sổ tay QTTB tập 1:
 Nhiệt dung riêng của Aceton: CA = 2331,72 (J/kg.độ)

 Nhiệt dung riêng của Nước: CN = 4190 (J/kg.độ)

⟶Nhiệt dung riêng của hỗn hợp tại nhiệt độ tsF = 68,44oC:
C sF=x F . C E + ( 1−x F ) . C N =0,32. 2331,72+ ( 1−0,32 ) .4190
¿ 3595,35( J /kg . độ)
-

Tại tF = 28oC tra bảng I.154 trang 171t sổ tay QTTB tập 1:
 Nhiệt dung riêng của Aceton: CA = 2204 (J/kg.K)
 Nhiệt dung riêng của Nước: CN = 4200 (J/kg.K)

⟶ Nhiệt dung riêng của hỗn hợp tại nhiệt độ tF = 28oC:
C F =x F . C A + ( 1−x F ) . C N =0,32. 2204+ (1−0,32 ) .4200
¿ 3561,28( J /kg . K )

 Lượng hơi đốt cần dùng:
D 1=
¿

F . ( C sF .t sF −C F . t F )
0.95 . r 3

1800. ( 3585,35 . 68,22−3561,28 .28 )
0,95.2203 . 103
20

=124,60 (kg /h)


III. Cân bằng năng lượng trong tháp chưng cất

Phương trình cân bằng năng lượng:
Năng lượng ra = Năng lượng vào
Q2 +Q9 +Q16=Q5 +Q18 +Q17 +Qtt


Nhiệt lượng do nhập liệu mang vào tháp Q2:
Q2=F .C sF . t sF(J/h)



Nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào tháp Q9:
Q9=Q R =GR . C R .t R =P . R . C R . t R(J/h)

Trong đó:
lưu lượng lỏng hồi lưu: G R=P . R (kg/h)
t R : nhiệt lượng dònh lỏng hồi lưu: t R =t sP


Nhiệt lượng hơi đốt đi vào thiết bị nồi đun đáy tháp E-104:
Q16=D16 . λ16=D16 .(r 16 +C16 . t 16 )(J/h)

Trong đó:
D16 :là lượng hơi đốt cần dùng để đun ở đáy tháp.


Nhiệt lượng do hơi đỉnh mang ra Q5:
Q5=P . ( R+1 ) . λ 5(J/kg)

Trong đó:

21


λ P: nhiệt lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp
λ 5=λ A . y P + ( 1− y P ) . λ N (J/kg)
λ A=r A +t P .C A (J/kg)
λ N =r N +t P .C N (J/kg)


Nhiệt lượng sản phẩm đáy mang ra khỏi nồi đun đáy tháp Q18:
Q18=W . C sW . t sW (J/h)

Trong đó :
W là lưu lượng sản phẩm đáy (kg /h)

C sW nhiệt dung riêng của hỗn hợp đáy (J/kg.K)
t sW nhiệt độ sản phẩm đáy (℃ ¿


Nhiệt lượng nước ngưng mang ra khỏi thiết bị nồi đun đáy tháp:
Q17=D17 .C 17 .t 17(J/h)

Trong đó:
D17 Lượng nước ngưng tụ (kg/h), bằng lượng hơi đốt mang vào nồi đun D16
C 17 Nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg.K)
t 17Nhiệt độ nước ngưng tụ (oC)


Nhiệt lượng tổn thức ra môi trường Qtt lấy bằng 5% nhiệt tiêu tốn ở đỉnh tháp
Qtt =0,05 .Q16 =0,05. D16 .r 16 (J/h)

 Lượng hơi đốt cần dùng cho thiết bị nồi đun:
Q2 +Q9 +Q16=Q5 +Q18 +Q17+ Qtt
D 16 =

Q 5 +Q 18+Q 17+Q tt −Q2−Q 9 Q 5+ Q 18−Q 2−Q 9
=
(kg ∕ h)
λ16
0,95 .r 16

Tính tốn số liệu


Nhiệt lượng do nhập liệu mang vào tháp Q2:
Q2=F .C sF . t sF=1800. 3595,35. 68,22=441494598,6 9( J /h)

Tại tsF = 68,22oC tra bảng I.154 trang 171 sổ tay QTTB tập 1:


Nhiệt dung riêng của Aceton: CA = 2331,72 (J/kg.K)



Nhiệt dung riêng của Nước: CN = 4190 (J/kg.K)

⟶Nhiệt dung riêng của hỗn hợp tại nhiệt độ tsF = 68,22oC:
C sF=x F . C A + ( 1−x F ) .C N =0,32 . 2331,72+ (1−0,32 ) .4190
22

¿ 3595,35( J /kg . K )


Nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào tháp Q9:
Q9=Q R =GR . C R .t R =P . R . C R . t R
¿ 454,94.0,58 .2353,4 .57,45=35675321,8(J /h)

Tại tR = tsP = 57,45oC tra bảng I.154 trang 171 sổ tay QTTB tập 1:
 Nhiệt dung riêng của Aceton: CA = 2296,71 (J/kg.K)
 Nhiệt dung riêng của Nước: CN = 4175,64 (J/kg.K)

⟶Nhiệt dung riêng của hỗn hợp tại nhiệt độ tR = tsP = 57,45oC:
C R =C sP=x P . C A + ( 1−x P ) . C N =0,97 . 2296,7+ ( 1−0,97 ) . 4188,1
¿ 2353,4( J /kg . K)


Nhiệt lượng do hơi đỉnh mang ra Q 5:
Q5=P . ( R+1 ) . λ P ( J /h)

Tại tsP = 57,45oC tra bảng I.212 trang 254 sổ tay QTTB tập 1:
 Nhiệt hóa hơi của Aceton: rA = 550522,33 (J/kg)
 Nhiệt hóa hơi của Nước: rN = 2443756,66 (J/kg)

Tại tsP = 57,45oC tra bảng I.154 trang 171, 172 sổ tay QTTB tập 1:


Nhiệt dung riêng của Aceton: CA = 2296,7 (J/kg.K)



Nhiệt dung riêng của Nước: CN = 4188,1 (J/kg.K)

⟶ Nhiệt lượng riêng của aceton:
λ A=r A +C A .t sP=550522,55+ 2296,7.57,45=682467,9(kJ / kg)
⟶Nhiệt lượng riêng của nước:

λ N =r N +C N . t sP=2443756,66+ 4188,1.57,45=268436( kJ /kg)

Tại x P = 0,97 tra tại bảng 1X.2a. Cân bằng lỏng – hơi trang 145 Sổ tay QTTB tập 2:
 Nồng độ phần mol trong pha hơi của cấu tử: y P=0,98
-

Nồng độ phần khối lượng trong pha hơi của cấu tử:
y P=

yP . M N

y P . M N + ( 1− y P ) . M A

=

0.98 .18
=0,938(kg /kghh)
0.98 .18+ ( 1−0.94 ) .58

⟶Nhiệt lượng riêng của hỗn hợp đỉnh:
λ 5=λ P= λ A . y P + ( 1− y P ) . λ N =682467,9+ ( 1−0.938 ) .268436
¿ 699110,93( kJ /kg)
-

Nhiệt lượng do hơi đỉnh mang ra Q 5:
23


Q5=P . ( R+1 ) . λ 5=454,94 . ( 0,58+ 1 ) . 699110,93=502524571,9(J /h)

-

Nhiệt lượng sản phẩm đáy ra khỏi thiết bị nồi đun đáy tháp E-104:
Q18=W . C sW . t sW =1345,08 . 4019,28 . 85,41=461748080,9(J /h)

Tại tsW = 85,41oC tra bảng I.154 trang 171,172 sổ tay QTTB tập 1:
 Nhiệt dung riêng của Aceton: CA = 2387,58 (J/kg.K)
 Nhiệt dung riêng của Nước: CN = 4200,82 (J/kg.K)

⟶Nhiệt dung riêng của hỗn hợp tại nhiệt độ tsW = 85,41oC:
C sW =x W . C A + ( 1−x W ) . C N =0,1. 2387,58+ ( 1−0,1 ) . 4200,58

¿ 4019,28 (J/kg.K)
-

Hơi đốt là hơi nước bão hịa có Ptđ = 2 at, tra bảng I.251 trang 314 số tay QTTB tập 1:
 Nhiệt hóa hơi của hơi nước bão hòa: r 16 = 2208.103 (J/kg)

⇒Lượng hơi đốt cần dùng cho thiết bị nồi đun đáy tháp E-104:
D 16 =

¿

Q 5 +Q 18−Q 2−Q 9
0,95 . r 16

502524571,9+ 441494598,6−442946691,4−35675321,8
=221,87(kg /h)
0,95 . 2208.103

IV. Cân bằng năng lượng trong thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh

Phương trình cân bằng năng lượng:
Năng lượng vào = Năng lượng ra
Q5 +Q7=Q6 +Q 8
P . ( R+ 1 ) . r P=G7 .C n . ( t nr −t nv )

Tại tsP = 57,45oC tra bảng I.212 trang 254 sổ tay QTTB tập 1:
 Nhiệt hóa hơi của Aceton: rA = 521298,47 (J/kg)
 Nhiệt hóa hơi của Nước: rN = 2425491,74 (J/kg)
⟶ Nhiệt hóa hơi của dịng sản phẩm đỉnh: r P=x P . r A + ( 1−x P ) . r N
24


¿ 0,97.521298,47+ ( 1−0,97 ) .2425491,74=578424,27( J / kg)
⇒ Nhiệt độ trung bình của nước:

t tbn=

t nv +t nr 25+40
o
=
=32,5 C

2
2

Tại t tbn=32,5 ° C tra bảng I.244 trang 310 sổ tay QTTB tập 1:
→ Cn = 4178 (J/kg.độ)



Khi đó, công thức lượng nước làm lạnh IX.165 trang 198 sổ tay QTTB tập 2:
G 7=

P × ( R+1 ) ×r P
C n × ( t nr −t nv )

=

454,94 . ( 0,58+1 ) .578424,27
=6634,34(kg /h)
4178. ( 40−25 )

V. Cân bằng năng lượng trong thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh

Phương trình cân bằng năng lượng:
Năng lượng vào = Năng lượng ra
Q10 +Q12 =Q11+Q13

 Nhiệt lượng do sản phẩm đỉnh mang vào thiết bị:
Q10=P . CsP . t sP (J /h)

Trong đó:

P là lưu lượng khối lượng dịng sản phẩm đỉnh (kg/h)

C sP là nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh tại t sP (J/kg.K)

t sP là nhiệt độ sôi của sản phẩm đỉnh (oC)

 Nhiệt lượng do nước làm nguội mang vào thiết bị :
Q12=G12 . C n . t nv

Trong đó:
G12: lưu lượng nước làm lạnh (kg/h)
Cn: nhiệt dung riêng của nước làm lạnh (J/Kg.độ)
25