Đồ án thiết kế tháp chưng cất mâm xuyên lỗ

Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học

GVHD: Hồng Minh Nam

LỜI MỞ ĐẦU
Một trong những ngành có sự đóng góp to lớn đến ngành cơng nghiệp nước ta nói
riêng và thế giới nói chung đó là ngành cơng nghệ hóa học. Đặc biệt là ngành hóa chất cơ
bản.
Trong thực tế, chúng ta sử dụng nhiều dạng hóa chất khác nhau: hỗn hợp nhiều chất
hay đơn chất tinh khiết. Mà nhu cầu về loại hóa chất tinh khiết cũng rất lớn. Q trình có
thể đáp ứng phần nào độ tinh khiết theo yêu cầu là chưng cất: quá trình tách các cấu tử
trong hỗn hợp lỏng – lỏng, hay hỗn hợp lỏng – khí thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ
bay hơi khác nhau của chúng.
Và đối với hệ nước – axit axetic, do khơng có điểm đẳng phí nên có thể đạt được bất
kì độ tinh khiết theo yêu cầu nhờ quá trình chưng cất.
Nhiệm vụ thiết kế: tính tốn hệ thống chưng luyện liên tục để tách hỗn hợp hai cấu
tử: nước – axit axetic với các số liệu sau đây:





Năng suất nhập liệu: GF = 0,5m3/h
Nồng độ nhập liệu: = 8% (% khối lượng acid acetic)
Nồng độ sản phẩm đỉnh: =25 % (% khối lượng acid acetic )
Nồng độ sản phẩm đáy: = 0,5% (% khối lượng acid acetic)

Vì chưa đủ kiến thức và kinh nghiệm nên khơng tránh khỏi những thiếu sót trong q
trình thực hiện đồ án, em mong nhận được những nhận xét và góp ý chân thành từ q
thầy cơ để em có thể hồn thiện bản thân hơn nữa.

i


Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học

GVHD: Hồng Minh Nam

MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU....................................................................................................................... i
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN................................................................................................1
1.1. Cơ sở lí thuyết về chưng cất.......................................................................................1
1.1.1. Khái niệm............................................................................................................1
1.2. Các phương pháp chưng cất........................................................................................1
1.2.1. Phân loại theo áp suất làm việc............................................................................1
1.2.2. Phân loại theo nguyên lí làm việc........................................................................1
1.3. Các loại tháp chưng cất...............................................................................................1
1.3.1. Tháp mâm............................................................................................................2
1.3.2. Tháp chêm (tháp đệm).........................................................................................2
1.3.3. Ưu, nhược điểm của các loại tháp........................................................................2
1.4. Nguyên liệu................................................................................................................3
1.4.1. Axit axetic...........................................................................................................3
1.4.2. Nước.................................................................................................................... 4
CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ VÀ THUYẾT MINH QUY TRÌNH................5
2.1. Sơ đồ quy trình cơng nghệ..........................................................................................5
2.2. Thuyết minh quy trình công nghệ...............................................................................5
CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT..............................................................................6
3.1. Các số liệu ban đầu.....................................................................................................6
3.2. Suất lượng nhập liệu, sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy...............................................6
3.3. Xác định chỉ số hồi lưu...............................................................................................7
3.3.1. Đồ thị cân bằng nước – axit axetic.......................................................................7

3.3.2. Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp........................................................................7
3.3.3. Phương trình đường làm việc..............................................................................8
3.3.4. Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp........................................................................8
CHƯƠNG 4: CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG.....................................................................11
4.1. Cân bằng nhiệt lượng cho tháp chưng cất.................................................................11
4.2. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ..............................................................12
ii


Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học

GVHD: Hồng Minh Nam

4.3. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm nguội sản phẩm đáy......................................12
4.4. Cân bằng nhiệt lượng thiết bị đun sơi dịng nhập liệu...............................................13
CHƯƠNG 5: TÍNH TỐN THIẾT BỊ CHÍNH.................................................................14
5.1. Đường kính tháp (Dt)................................................................................................14
5.1.1. Đường kính đoạn cất..........................................................................................14
5.1.2. Đường kính đoạn chưng....................................................................................16
5.2. Chiều cao tháp (H)....................................................................................................18
5.3. Trở lực tháp..............................................................................................................18
5.3.1. Cấu tạo mâm xuyên lỗ.......................................................................................18
5.3.2. Trở lực đĩa khô..................................................................................................18
5.3.3. Trở lực do sức căng bề mặt................................................................................19
5.3.4. Trở lực thủy tĩnh do chất lỏng trên đĩa tạo ra.....................................................19
5.3.5. Tổng trở lực thuỷ lực của tháp:..........................................................................21
5.3.6. Kiểm tra hoạt động của mâm:............................................................................21
5.3.7. Kết luận.............................................................................................................21
5.3.8. Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động.................................................................21
5.3.9. Kiểm tra tính đồng nhất của hoạt động mâm.....................................................22

5.4. Tính tốn cơ khí........................................................................................................23
5.4.1. Bề dày tháp........................................................................................................23
5.4.2. Bề dày mâm.......................................................................................................25
5.4.3. Bích ghép thân, đáy và nắp................................................................................25
5.4.4. Đường kính các ống dẫn – Bích ghép các ống dẫn............................................26
5.4.5. Tai treo, chân đỡ tháp........................................................................................29
5.4.6. Lớp cách nhiệt...................................................................................................30
CHƯƠNG 6: TÍNH TỐN THIẾT BỊ PHỤ.....................................................................32
6.1. Thiết bị đun sôi đáy tháp..........................................................................................32
6.1.1. Hiệu số nhiệt độ trung bình................................................................................32
6.1.2. Hệ số truyền nhiệt K được tính theo cơng thức..................................................32
6.1.3. Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu.....................................................................32
iii


Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học

GVHD: Hồng Minh Nam

6.1.4. Xác định hệ số cấp nhiệt dòng sản phẩm đáy ngoài ống....................................33
6.1.5. Xác định hệ số cấp nhiệt của hơi nước..............................................................34
6.1.6. Xác định hệ số truyền nhiệt:..............................................................................34
6.1.7. Bề mặt truyền nhiệt............................................................................................34
6.1.8. Cấu tạo thiết bị...................................................................................................35
6.2. Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy..............................................................................35
6.2.1. Hiệu số nhiệt độ trung bình................................................................................35
6.2.2. Hệ số truyền nhiệt..............................................................................................35
6.2.3. Xác định hệ số cấp nhiệt của nước trong ống....................................................35
6.2.4. Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu.....................................................................36
6.2.5. Xác định hệ số cấp nhiệt của dòng sản phẩm đáy ngoài ống.............................36

6.2.6. Xác định hệ số truyền nhiệt...............................................................................38
6.2.7. Bề mặt truyền nhiệt............................................................................................39
6.2.8. Cấu tạo thiết bị...................................................................................................39
6.3. Thiết vị ngưng tụ sản phẩm đỉnh..............................................................................39
6.3.1. Hiệu số nhiệt độ trung bình:...............................................................................39
6.3.2. Hệ số truyền nhiệt:.............................................................................................39
6.3.3. Xác định hệ số cấp nhiệt của nước đi trong ống................................................40
6.3.4. Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu.....................................................................40
6.3.5. Xác định hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ ngoài ống:.......................................41
6.3.6. Xác định hệ số truyền nhiệt...............................................................................42
6.3.7. Bề mặt truyền nhiệt............................................................................................42
6.3.8. Cấu tạo thiết bị:..................................................................................................42
6.4. Thiết bị đun sôi nhập liệu.........................................................................................42
6.4.1. Hiệu số nhiệt độ trung bình................................................................................43
6.4.2. Hệ số truyền nhiệt..............................................................................................43
6.4.3. Xác định hệ số cấp nhiệt của dòng nhập liệu trong ống.....................................43
6.4.4. Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu.....................................................................44
6.4.5. Xác định hệ số cấp nhiệt hơi ngưng tụ ngoài ống..............................................44
iv


Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học

GVHD: Hồng Minh Nam

6.4.6. Xác định hệ số truyền nhiệt...............................................................................45
6.4.7. Bề mặt truyền nhiệt............................................................................................45
6.4.8. Cấu tạo thiết bị...................................................................................................46
6.5. Bồn cao vị................................................................................................................. 46
6.5.1. Tổn thất đường ống dẫn.....................................................................................46

6.5.2. Tổn thất đường ống dẫn trong thiết bị đun sôi nhập liệu....................................47
6.5.3. Chiều cao bồn cao vị..........................................................................................48
6.6. Bơm.......................................................................................................................... 49
6.6.1. Năng suất...........................................................................................................49
6.6.2. Cột áp................................................................................................................49
6.6.3. Công suất...........................................................................................................51
KẾT LUẬN........................................................................................................................ 52
TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................................................53

v


Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học

GVHD: Hồng Minh Nam

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Cơ sở lí thuyết về chưng cất
1.1.1. Khái niệm
. Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng (cũng như hổn
hợp khí lỏng) thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau cùa các cấu tử
trong hỗn hợp. Ở cùng một nhiệt độ thì cấu tử nào có áp suất hơi lớn hơn sẽ dễ bay hơi hơn
hay ở cùng một áp suất cấu tử nào có nhiệt độ sơi thấp hơn sẽ dễ bay hơi hơn
Thay vì đưa vào trong hỗn hợp một pha mới để tạo nên sự tiếp xúc giữa hai pha như
trong q trình hấp thu hoặc nhả khí, trong q trình chưng cất pha mới được tạo nên bằng
sự bốc hơi hoặc ngưng tụ.
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 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.
1.2. Các phương pháp chưng cất
1.2.1. Phân loại theo áp suất làm việc
Có thể chưng cất ở áp suất khác nhau:
 Áp suất thường
 Áp suất thấp
 Áp suất cao
1.2.2. Phân loại theo nguyên lí làm việc
1 Chưng cất đơn giản
2 Chưng cất bằng hơi nước trực tiếp
3 Chưng cất đa cấu tử
1.3. Các loại tháp chưng cất
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
1


Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học

GVHD: Hồng Minh Nam

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.
1.3.1. Tháp mâm
Gồm: thân tháp hình trụ thẳng đứng trong có gắn các mâm có cấu tạo khác nhau trên
đó pha lỏng và pha hơi được cho tiếp xúc với nhau. Chất lỏng đi vào tháp ở đỉnh hoặc tại
một mâm thích hợp nào đó và chảy xuống do trọng lực qua mỗi mâm bằng ống chảy

chuyền.
1.3.1.1. Tháp mâm chóp
Trên mâm có gắn chóp và ống chảy chuyền, ống chảy chuyền có thể có tiết diện trịn,
viên phân, một ống hay nhiều ống tùy suất lượng pha lỏng. Chóp có thể hình trịn hay một
dạng khác. Ở chóp có rãnh xung quanh để pha khí đi qua, rãnh chóp có thể hình chữ nhật,
tam giác hay hình trịn.
1.3.1.2. Tháp mâm xun lỗ
Trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh, đường kính lỗ từ 3÷12 mm, tổng tiết diện các lỗ trên
mâm chiếm từ 8÷15% tiết diện tháp. Các lỗ được bố trí trên các đỉnh tam giác đều, khoảng
cách giữa hai tâm lỗ bằng 2,5÷5 lần đường kính. Bề dày mâm thường bằng 4/10 ÷ 8/10
đường kính lỗ nếu làm bằng thép không gỉ, nếu làm bằng thép cacbon hay hợp kim đồng
thì bề dày lớn hơn tỉ lệ trên.
1.3.2. Tháp chêm (tháp đệm)
Tháp chêm là một tháp hình trụ gồm nhiều bậc nối với nhau bằng mặt bích hay hàn.
Vật chêm được đổ đầy trong tháp theo một trong hai phương pháp sau: xếp ngẫu nhiên hay
xếp thứ tự.
1.3.3. Ưu, nhược điểm của các loại tháp
Tháp chêm
Ưu
điểm

- Cấu tạo khá đơn giản.

Tháp mâm xuyên lỗ

Tháp mâm chóp

- Trở lực tương đối - Khá ổn định.
thấp.

- Trở lực thấp.

- Hiệu suất cao.
- Hiệu suất khá cao.

- Làm việc được với chất lỏng
2


Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học

GVHD: Hồng Minh Nam

bẩn nếu dùng đệm cầu có  
 của chất lỏng.

Nhược
điểm

- Do có hiệu ứng thành  hiệu
- Khơng làm việc - Có trở lực lớn.
suất truyền khối thấp.
được với chất lỏng
bẩn.
- Tiêu tốn nhiều
- Độ ổn định không cao, khó
vật tư, kết cấu
vận hành.
- Kết cấu khá phức phức tạp.
tạp.

- Do có hiệu ứng thành  khi
tăng năng suất thì hiệu ứng
thành tăng  khó tăng năng
suất.
- Thiết bị khá nặng nề.

Quá trình chưng cất được thực hiện dựa vào nhiều loại tháp có cấu tạo khác nhau, tuy
nhiên tùy vào mục đích, hiệu suất chưng cất và điều kiện không gian cũng như điều kiện
kinh tế mà ta lựa chọn tháp chưng cất phù hợp. Yêu cầu chế tạo thiết bị chưng cất mâm
xuyên lỗ nước – axit axetic. Tháp mâm xuyên lỗ có những ưu điểm sau:





Chế tạo đơn giản
Vệ sinh dễ dàng
Trở lực tháp thấp hơn tháp chóp
Ít tốn kim loại hơn tháp chóp

1.4. Ngun liệu
1.4.1. Axit axetic
Axit axetic hệ thống có tên là axit ethanoic là một hợp chất hữu cơ với cơng thức hóa
học là CH3COOH. Nó là một chất lỏng khơng màu, có mùi thơm đặc trưng, vị chua, dễ bay
hơi ở nhiệt độ môi trường. Tan vô hạn trong nước, rượu, ete theo bất kì tỉ lệ nào. Axit
axetic là thành phần chính của giấm và axit pyroligneous.
 Phân tử lượng:

60 g/mol
3

Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học






GVHD: Hồng Minh Nam

Khối lượng riêng:
1,049 g/cm3 ở 25oC
Nhiệt độ nóng chảy:
16,6oC
Nhiệt độ sôi:
1180C
Độ nhớt:
0,59Ns/m2 ở 200C
Tỉ trọng so với nước ở trạng thái lỏng 1,049kg/cm 3 ở 20oC và ở trạng thái rắn
1,226kg/cm3.
Điều chế
Axit axetic được điều chế theo các phản ứng sau:
Trong công nghiệp, đi từ butan C4H10: 2C4H10 + 3O2 → 4CH3COOH + 2H2O
Sản xuất giấm ăn, thường dùng phương pháp lên men dung dịch rượu etylic loãng.
CH3CH2OH + O2men → CH3COOH + 2H2O

Ứng dụng: Axit axetic là nguyên liệu dùng để sản xuất nhiều mặt hàng khác nhau và
được ứng dụng rộng rãi trong các ngành: công nghiệp nặng, y tế, dược, giao thơng vận
tải…Vì nó là một loại axit rẻ tiền nhất. Axit axetic là một trong những ứng dụng quan

trọng trong các loại axit hữu cơ.
Nguồn tiêu thụ chủ yếu:






Làm giấm ăn ( chứa 4,5% axit axetic ).
Làm đông đặc nhựa mủ cao su.
Làm chất dẻo sợi celluloza acetat – làm phim ảnh không nhạy lửa.
Làm chất kết dính polyvinyl acetat.
Làm phẩm màu, dược phẩm, nước hoa tổng hợp

1.4.2. Nước
Trong điều kiện thường: nước là chất lỏng khơng màu, khơng mùi, khơng vị. Khi hóa
rắn nó có thể tồn tại ở 5 dạng tinh thể khác nhau.





Khối lượng phân tử: 18g/mol
Khối lượng riêng d 4oC: 1g/ml
Nhiệt độ nóng chảy: 0oC
Nhiệt độ sơi: 100oC

Nước là dung mơi tốt nhờ vào tính lưỡng cực. Các hợp chất phân cực hoặc có tính
ion như axit, rượu và muối đều dễ tan trong nước.

4


Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học

GVHD: Hồng Minh Nam

2. CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ VÀ THUYẾT
MINH QUY TRÌNH
1.5. Sơ đồ quy trình cơng nghệ
Chú thích các kí hiệu trong qui trình:
1. Bồn chứa nguyên liệu; 2. Bơm; 3. Bồn cao vị; 4. Lưu lượng kế; 5. Bẩy hơi; 6. Thiết bị
đun sôi nhập liệu; 7. Nhiệt kế; 8. Tháp chưng cất; 9. Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh; 10.
Áp kế; 11. Thiết bị đun sôi đáy tháp; 12. Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy; 13. Bồn chứa
sản phẩm đáy; 14. Bồn phân chia dòng; 15. Bồn chứa sản phẩm đỉnh.
1.6. Thuyết minh quy trình cơng nghệ
Hỗn hợp Nước – Axit axetic có nồng độ nước 92% (theo phần khối lượng), nhiệt độ
khoảng 25oC tại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3). Sau đó,
hỗn hợp được gia nhiệt đến nhiệt độ sơi trong thiết bị đun sơi dịng nhập liệu (6), rồi được
đưa vào tháp chưng cất (8) ở đĩa nhập liệu. Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với
phần lỏng từ đoạn luyện 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 vì đã bị
pha hơi tạo nên từ nồi đun (11) 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 axit axetic sẽ
ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử nước chiếm nhiều
nhất (có nồng độ 99,5% phần khối lượng). Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ (9) và được
ngưng tụ hoàn toàn. Một phần của chất lỏng ngưng tụ được hoàn lưu về tháp ở đĩa trên
cùng. Một phần cấu tử có nhiệt độ sơi thấp được bốc hơi, cịn lại cấu tử có nhiệt độ sơi cao
trong chất lỏng ngày càng tăng. Cuối cùng, ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng hầu hết là

các cấu tử khó bay hơi (axit axetic). Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độ nước là 7 5% phần
khối lượng, còn lại là axit axetic. Dung dịch lỏng ở đáy đi ra khỏi tháp vào nồi đun (11).
Trong nồi đun dung dịch lỏng một phần sẽ bốc hơi cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm
5


Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học

GVHD: Hồng Minh Nam

việc, phần còn lại ra khỏi nồi đun đi qua thiết bị làm nguội sản phẩm đáy (12), được làm
nguội đến 40oC, rồi được đưa qua bồn chứa sản phẩm đáy (13). Hệ thống làm việc liên tục
cho ra sản phẩm đỉnh là nước được thải bỏ, sản phẩm đáy là axit axetic được giữ lại.

2. CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT
2.1. Các số liệu ban đầu
Khi chưng luyện dung dịch axit axetic thì cấu tử dễ bay hơi là nước vì ở cùng một áp
suất nhiệt độ sơi của nước bé hơn axit axetic. Axit axetic CH3COOH, khối lượng riêng
M=60 g/mol. Nước H2O, có khối lượng riêng M =18 g/mol
Các kí hiệu:





F : lượng nhập liệu ban đầu ( Kmol/h )
D : lượng sản phẩm đỉnh ( Kmol/h )
W : lượng sản phẩm đáy ( Kmol/h )
xF :nồng độ mol nước trong nhập liệu

 xD : nồng độ mol nước trong sản phẩm đỉnh
 xW : nồng độ mol nước trong sản phẩm đáy
Chọn: Nhiệt độ nhập liệu: tFV = 25oC, trạng thái nhập liệu là trạng thái lỏng sôi.
2.2. Suất lượng nhập liệu, sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy
 Nồng độ phần mol của nước trong tháp:

xF 

xF
M H 2O

xF
M H 2O

0,92
18

0,974
0,92 (1  0,92)
(1  xF )


18
60
M CH COOH
3

6

(phần mol)

Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học

xD 

xw 

GVHD: Hoàng Minh Nam

xD
M H 2O

xD
M H 2O

0,995
18

0, 998
0,995 (1  0, 005)
(1  xD )


18
60
M CH COOH
3

(phần mol)

xw
M H 2O

xw
M H 2O

0, 75
18

0,909
0,
75
(1  0, 25)
(1  xw )


18
60
M CH COOH
3

(phần mol)

 Suất lượng dòng vào:
GF 0.08 0,5 1042, 75  996,5 0,5 0,92 500 (kg/h)
M F 18 0, 974  60 0, 026 19, 092 (kg/kmol)
500,1
F
26,19

19, 092
(kmol/h)

 Phương trình cân bằng vật chất cho toàn bộ tháp chưng cất :
 F D  W

 F xF D xD  W xW Suy ra

 D 19,13  kmol / h 

W 7, 06  kmol / h 

 Suất lượng sản phẩm đỉnh GD D M D 19,13 (0,998 18  0, 002 60) 345,94 (kg/h)
 Suất lượng sản phẩm đáy GW W M W 7, 06 (0,909 18  0, 09160) 154, 06 (kg/h)
2.3. Xác định chỉ số hồi lưu
2.3.1. Đồ thị cân bằng nước – axit axetic
Ta có bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Acid acetic Nước ở 760 mmHg.
Bảng 1: Số liệu cân bằng lỏng – hơi của hệ nước – axit axetic

x,%mol

0

0.05

0

0.09
2

y,%mol

0.1

0.2

0.3

0.167 0.303 0.425

7

0.4

0.5

0.53

0.62
6

0.6

0.7

0.8

0.716 0.795 0.864

0.9

1

0.93

1


Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học

T,oC
118.1

115.
4

GVHD: Hồng Minh Nam

113.8 110.1 107.5

106

104.
4

103.3 102.1 101.3

100.
6

Với x là thành phần lỏng, y là thành phần hơi

Hình 1: Đồ thị đường cân bằng pha hệ nước – axit axetic
2.3.2. Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp
2.3.2.1. Chỉ số hồi lưu tối thiểu
Tỉ số hoàn lưu tối thiểu với số mâm là vơ cực cho một q trình chưng cất xác định
trước và tương ứng là nhiệt tải của nồi đun và thiết bị nhưng tụ là tối thiểu. Do đó, chi phí
cố định là vơ cực nhưng chi phí điều hành (nguyên liệu, nước, bơm…) là tối thiểu.
Do nhập liệu ở trạng thái lỏng bão hòa, nên Rmin được xác định như sau:
Với xF = 0,974 ta nội suy t từ đồ thị 2 được yF* = 0,982
Tỉ số hoàn lưu tối hiểu tra công thức IX.24 trang 158, [2] ta có:
Rmin 

xD  y*F 0, 998  0,982
*

2
F
y* F  xF 0,982  0,974
; xF = 0,974  y = 0.982

Tỉ số hoàn lưu làm việc: R = 1,3Rmin + 0,3 = 1,3*2+ 0,3 = 2,9
2.3.3. Phương trình đường làm việc
Chỉ số nhập liệu:

f 

F 26,19

1,37

D 19,13

Phương trình đường làm việc phần chưng:

y
8

R f
1 f
x
xw 1, 095 x  0, 095
R 1
R 1

100


Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học
Phương trình đường làm việc phần cất

GVHD: Hoàng Minh Nam
y

R
x
x  D 0, 743x  0, 256
R 1
R 1

2.3.4. Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp

2.3.4.1. Xác định số mâm lý thuyết
Do điều kiện nhập liệu là lỏng bão hịa, ta có đường nhập liệu là đường : x = xF = 0,974.
Ta kẻ các đường làm việc của phần cất và phần chưng trên cùng đồ thị được số bậc thang là
15

9


Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học

GVHD: Hồng Minh Nam

1.1.1.1. Xác định số mâm thực tế
N¿

Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình: N TT = η

tb

Trong đó:
 ηtb : hiệu suất trung bình của đĩa, là một hàm số của độ bay hơi tương đối và độ nhớt
của hỗn hợp lỏng η=f ( α , μ)
 NTT : số mâm thực tế
 NLT : số mâm lý thuyết
Với ηtb =

η F +ηW + ηD
3

F , W , D : lần lượt là hiệu suất ở mâm đỉnh, mâm đáy, mâm nhập liệu.

Từ giãn đồ x-y, t-x,y : tìm nhiệt độ tại các vị trí và nồng độ pha hơi cân bằng với pha lỏng
y ¿ 1−x
Độ bay hơi tương đối của các cấu tử dễ bay hơi: α =
1− y ¿ x

IX.61 trang 172, [2]

Với: x: phần mol của nước trong pha lỏng; y*: phần mol của rượu trong pha hơi.
Vị trí mâm nhập liệu :
xF = 0,974; y*F = 0,9818  y F = 0,9418
3
tF = 100,156 oC  n = 0, 2836 10 N.s/m2; a = 0,46*10-3 N.s/m2 (Tra bảng I.101, I.102, [1])
4
 lg hh xF lg n  (1  xF ) lg a  hh 2,872 10 Ns/m2

Tra bảng 1.250, trang 312, [1]⇒ Áp suất hơi bão hòa của nước PNL = 1,04at = 789,8 (mmHg)
Tra hình XXIII, trang 466, [3]⇒ Áp suất hơi bão hòa của axit axetic PAL = 150,78 (mmHg)
PNL 789,8

5, 238
3
= PAL 150, 78
;  hh 1,504 10  F = 45,48%

(Hình IX.11, [2])

Vị trí mâm đỉnh :
xD = 0,998; yD = 0,9986  y D = 0,995
3
3

tD = 100,012 oC  n 0, 2826 10 Ns/m2; a 0, 46 10 Ns/m2 (Tra bảng I.101, I.102, [1])
4
 lg hh xD lg n  (1  xD ) lg a  hh 2,843 10 Ns/m2

Tra bảng 1.250, trang 312, [1] ⇒ Áp suất hơi bão hòa của nước PNL = 1,033 at = 785,08 (mmHg)
10


Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học

GVHD: Hồng Minh Nam

Tra hình XXIII, trang 466, [3] ⇒ Áp suất hơi bão hòa của axit axetic PAL = 150 (mmHg)
PNL 786, 47

5,34
3
 = PAL 147, 27
;   hh 1, 488 10  D = 45,56 % ( Hình IX.11, [2])

Vị trí mâm đáy :
xW = 0,909; yW = 0,9363  y w = 0,815
3
3
tW = 100,546oC  n 0, 2826 10 Ns/m2; a 0, 46 10 Ns/m2 (Tra bảng I.101, I.102, [1])
4
 lg hh xw lg n  (1  xw ) lg a  hh 2, 954 10 Ns/m2

Tra bảng 1.250, trang 312,[1] ⇒ Áp suất hơi bão hòa của nước PNL = 1,035at = 786,47 (mmHg)
Tra hình XXIII, trang 466, [3]⇒ Áp suất hơi bão hòa của axit axetic PAL = 147,27 (mmHg)

PNL 786, 47

5,34
3
P
147,
27
AL
=
;   hh 1,577 10  3 = 45,115% ( Hình IX.11, [2])

 ηtb =

η F +ηW + ηD
=¿ 45,385%
3

15
33, 04
 Ntt = 0, 45385
(mâm )

Vậy : 22 mâm cất, 11 mâm chưng

3. CHƯƠNG 4: CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
3.1. Cân bằng nhiệt lượng cho tháp chưng cất
Phương trình cân bằng năng lượng: Q F +Q D +QR =Q y +Q w +Q xq +Qng
2

2

2

 Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào: QF GF CF t F
Tra bảng I.147 trang 165 và I.154 trang 172 [1]
Với t F =100,156oC → Cn=4220,203(J/Kg.độ); C a=2430,819(J/Kg.độ)

CD x D Cn  (1  x D ) Ca 0,92 4220, 203  (1  0,92) 2430,819 4077, 05 (J/kg.độ)
11


Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học

GVHD: Hồng Minh Nam

QF 500,14077,05 100,156 204211344 (J/h) = 56,72 (KW)
Q D2 2 D2 (r2  C2 t2 )
 Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp Q D (J/h): D
2

2

Dùng hơi nước ở áp suất 2,5 (at), r 2=¿ 2189,5 (KJ/Kg), t2¿ 1 26,25℃
λ 2: nhiệt lượng riêng của hơi đốt (J/Kg)
r 2: ẩn nhiệt hóa hơi (J/Kg)
t 2 , C 2: nhiệt độ oC và nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/Kg.độ)

 Nhiệt độ do lưu lượng lỏng hoàn lưu mang vào: QR G R CR t R
C R =C D (nhiệt lượng riêng của sản phẩm đỉnh)
t D =100,012℃ →C n=4220,0156 (J/Kg.độ); C a=2430,063 (J/Kg.độ)

⇒ 0,995 4220,0156  (1  0,995) 2430,063 4211, 066 (J/Kg.độ)

GR GD R 345,94 2,9 1003, 23 (kg/h)
t R =t D =100,012℃ : QR 1003, 23 4211, 066 100, 012 422517470,3 (J/h) = 116,36 (KW)

 Nhiệt do hơi mang ra đỉnh tháp Qy:

Qy GD (1  R) D

Nhiệt lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp λ D : D n y D  a (1  y D )
Từ xD= 0,998 (phần mol)⇒ y*D=0,9986 (phần mol)
yD 

yD M n
yD M n  (1  yD ) M a



0,9986 18
0,995
0,9986 18  (1  0,9986) 60
(phần khối lượng)

λ n , λ a: nhiệt lượng riêng của nước, acid acetic: n rn  t D Cn ; a ra  t D Ca
r n , r a ,C n , Ca tra ở bảng I.212 và bảng I.153,[1] ở tD= 100,012oC
C n=¿ 4220,0156 (J/Kg.độ); C a=¿ 2430 (J/Kg.độ)
3
r n =¿ 539 (Kcal/Kg) 2256 103 (J/Kg); ra 389,8 10 (J/Kg)
3
3

→ λn=¿ 2678, 7 10 (J/Kg); λ a=¿ 632,829 10 (J/Kg)

→ λ D 2678,7 0,995  632,829 (1  0,995) 2668, 47 (KJ/Kg)
3
→ Q y =¿ 345,94 (1  2,9) 2668, 47 10 = 3600208996*103 (J/Kg) = 1000,058 (KW)

 Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra QW
12


Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học

GVHD: Hồng Minh Nam
QW GW C W t W

Với tw= 100,546oC→ Cn=4220,71 (J/Kg.độ) ; C a=2432,8665 (J/Kg.độ)
C W  x W Cn  (1  x W ) Ca 4220, 710, 75  2432,8665 (1  0, 75) = 3773,75 (J/Kg.độ)
→ Q W =¿ 154, 06 3773, 75 100,546 = 58455828,12(J/h) = 16,24(KW)

 Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh Q xq : Q xq =5 % Q D
2

 Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra Qng (J/h):
2

2

2

Qng2 Gng2 C2 t2 0

Vậy lượng hơi đốt cầnthiết để đun sôi dung dịch ở đáy tháp là :
D 2=

Q y +Qw +Q xq −Q F−QR Q y +Qw −Q F −QR
=
=1457,667 (Kg/h) = 0,405 (kg/s)
λ2
0,95 r 2
2

3.2. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ
 Nhiệt độ dòng nước lạnh đi vào: tv = 25oC; Nhiệt độ dòng nước lạnh đi ra: tr = 40oC
 Dịng hơi tại đỉnh đi ngồi ống với nhiệt độ ngưng tụ tngưng= 100,012oC
 Phương trình cân bằng năng lượng
D rD ( R  1) Gn Cn (tr  tv )
t t
 v r 32,5
o
t
2
C

Nhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ trung bình Cn = 4198,75 (J/kg.độ)
Nhiệt hoá hơi của nước: rn = 2256,65 103 (J/Kg); ra = 389,8 (kJ/h) (bảng I.212 trang
254)
rD rn x D  (1  x D ) ra 2256, 65 103 0,995  (1  0,995) 289,8 103 = 2247,315 103 (J/kg)

GD rD ( R  1) 345,94 2245,315 (2,9  1) 3032000,989 (kJ/h)

Lượng nước cần dùng:

Gn 

Qnt
48141,3276
Cn (tr  tv )
(kg/h)

3.3. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm nguội sản phẩm đáy
Cân bằng nhiệt: Q = GW(hWS – hWR) = Gn (hR – hV)
Nhiệt dung riêng ở 40oC: cn = 4,178 (kJ/kg; ca = 2,1(kJ/kg.K)
Nhiệt dung riêng ở 100,546oC : cn = 4,22 (J/kg.K); ca = 2,433 (J/kg.K)
Nên: hWV = (0,75 4,22 + 0,25 2,433) 100,546 = 379,385(kJ/kg)
Nên: hWR = (0,75 4,178 + 0,25 2,1) 40 = 146,34 (kJ/kg)
13


Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học

GVHD: Hồng Minh Nam

Tra bảng 1.250, p313, [1] ⇒ Enthalpy của nước ở 25oC : hV = 104,75 (kJ/kg)
⇒ Enthalpy của nước ở 35oC : hR = 146,65 (kJ/kg)
Lượng nhiệt trao đổi: Q = GW(hWS – hWR) = 35902,9127 (kJ/h)
Suất lượng nước cần dùng:

Gn 

Q

hR  hV = 856,87 (kg/h)

3.4. Cân bằng nhiệt lượng thiết bị đun sơi dịng nhập liệu
Chọn:
Nhiệt độ dịng nhập liệu đi trong ống trong tv = tFV = 25oC
Nhiệt độ dịng ra tFS=100,156oC
Nhiệt độ trung bình t



tv  t r
62,578o C
2

Hơi ngưng tụ đi trong ống ngồi có áp suất 2,5 at: rn= 2189,5 (kJ/kg); tn = 126,25oC
Nhiệt dung riêng của nước ở 62,578oC là 4190 (J/kg) (Tra bảng 1.249, trang 310, [1])
Nhiệt dung riêng của acid acetic ở 25oC là 2221,05 (J/kg) (Tra bảng 1.154, trang 172, [1])
¿ 4032,484 (

J
)
kg

Q GF CF (t FS  t FV ) Gn rn 500 4032, 484 (100,156  25) 151562990,3 (J/kg)

Lượng hơi đốt cần dùng cho thiết bị đun sôi dịng nhập liệu:

Gn 

Q

69, 22
rn
(kg/h)

4. CHƯƠNG 5: TÍNH TỐN THIẾT BỊ CHÍNH
4.1. Đường kính tháp (Dt)
Dt 

4Vtb
gtb
0, 0188 
π.3600.ω tb
(  y .ω y )tb

(m)

Vtb : lượng hơi trung bình đi trong tháp (m3/h).
14


Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học

GVHD: Hồng Minh Nam

tb : tốc độ hơi trung bình đi trong tháp (m/s).
gtb : lượng hơi trung bình đi trong tháp (Kg/h).
Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng và đoạn cất khác nhau. Do đó, đường kính
đoạn chưng và đoạn cất cũng khác nhau .
4.1.1. Đường kính đoạn cất
4.1.1.1. Lượng hơi trung bình đi trong tháp

g tb 

g d  g1
2
(Kg/h)

gd : lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (Kg/h).
g1 : lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn cất (Kg/h).
Xác định gd : g d GD ( R  1) (2,9  1) 345,94 = 1349,166 (Kg/h) = 74,606 (kmol/h)
Xác định g1 : Từ hệ phương trình :
 g1 G1  D

 g1 y1 G1 x1  D xD
 g r g r
d
d
 1 1

(I)

Với : G1 : lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn cất .
r1 : ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn cất
rd : ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi ra ở đỉnh tháp .
 Tính r1 :
Với t1 = tF = 100,156oC , (Tra tài liệu tham khảo [1]) ta có :
Ần nhiệt hoá hơi: rn1 = 2256,2606 (kJ/kg) ; ra1 = 389,81 (kJ/kg) .
Suy ra:

r1 rn1 y1  (1  y1 ) ra1 1866, 4406 y1  389,81

(kJ/kg)

 Tính rd :
Với tD = 100,012oC (Tra tài liệu tham khảo [1]) ta có :
Ẩn nhiệt hố hơi: rnd = 2256,6525 (kJ/kg) ; rAd = 389,7926 (kJ/kg) .
Suy ra: rd rnd y D  (1  y D ) rad 2256, 6525 0,995  (1  0, 995) 389, 7929 = 2247,32 (kJ/kg)
 x1 = x F = 0,92
Giải hệ (I), ta được : G1 = 1762,01(kg/h); y1 = 0,94 (phần khối lượng nước); g1 = 1416,07 (kg/h)
15