Luận văn: Máy và thiết bị chưng cất docx

Luận văn
Máy và thiết bị chưng cất

MỤC LỤC
L I M UỜ Ở ĐẦ 4
CH NG I : T NG QUAN.ƯƠ Ổ 5
I . LÝ THUY T V CH NG C T:Ế Ề Ư Ấ 5
1 . Ph ng pháp ch ng c t :ươ ư ấ 5
2 . Thi t b ch ng c t:ế ị ư ấ 6
II . GI I THI U S B NGUYÊN LI U :Ớ Ệ Ơ Ộ Ệ 7
1 . Etanol: (Còn g i là r u etylic , c n êtylic hay c n th c ph m).ọ ượ ồ ồ ự ẩ 7
2 . N c:ướ 8
3 . H n h p Etanol – N c:ỗ ợ ướ 9
9
III. CÔNG NGH CH NG C T H ETANOL – N C:Ệ Ư Ấ Ệ ƯỚ 10
CH NG II : CÂN B NG V T CH T .ƯƠ Ằ Ậ Ấ 13
I . CÁC THÔNG S BAN U :Ố ĐẦ 13
II . XÁC NH SU T L NG S N PH M NH VÀ S N PH M ÁY :ĐỊ Ấ ƯỢ Ả Ẩ ĐỈ Ả Ẩ Đ 13
III . XÁC NH T S HOÀN L U THÍCH H P:ĐỊ Ỉ Ố Ư Ợ 14
1 . T s hoàn l u t i thi u:ỉ ố ư ố ể 14
IV . PH NG TRÌNH NG LÀM VI CS MÂM LÝ THUY T:ƯƠ ĐƯỜ Ệ Ố Ế 14
1 . Ph ng trình đ ng n ng đ làm vi c c a đo n c t :ươ ườ ồ ộ ệ ủ ạ ấ 14
2 . Ph ng trình đ ng n ng đ làm vi c c a đo n ch ng :ươ ườ ồ ộ ệ ủ ạ ư 14
3 . S mâm lý thuy t :ố ế 14
V . XÁC NH S MÂM TH C T :ĐỊ Ố Ự Ế 14
CH NG III :TÍNH TOÁN –THI T K THÁP CH NG C T .ƯƠ Ế Ế Ư Ấ 16
I . NG KÍNH THÁP :(Dt)ĐƯỜ 16
1. ng kính đo n c t :Đườ ạ ấ 16
2. ng kính đo n ch ng :Đườ ạ ư 17
II . MÂM L – TR L C C A MÂM :Ỗ Ở Ự Ủ 19
1 . C u t o mâm l :ấ ạ ỗ 19

2 . gi m áp c a pha khí qua m t mâm :Độ ả ủ ộ 19
3 . Ki m tra ng p l t khi tháp ho t đ ng :ể ậ ụ ạ ộ 22
III . TÍNH TOÁN C KHÍ C A THÁP :Ơ Ủ 23
1 . B dày thân tháp :ề 23
2 . áy và n p thi t b :Đ ắ ế ị 24
3 . Bích ghép thân, đáy và n p :ắ 24
4 . ng kính các ng d n – Bích ghép các ng d n :Đườ ố ẫ ố ẫ 25
5 . Tai treo và chân đ :ỡ 28
CH NG IV: TÍNH TOÁN THI T B TRUY N NHI T- THI T B PH .ƯƠ Ế Ị Ề Ệ Ế Ị Ụ 30
I . CÁC THI T B TRUY N NHI T:Ế Ị Ề Ệ 30
1 . Thi t b ng ng t s n ph m đ nh:ế ị ư ụ ả ẩ ỉ 31
3 . N i đun gia nhi t s n ph m đáy:ồ ệ ả ẩ 33
4.Thi t b trao đ i nhi t s n ph m đ nh và nh p li u:ế ị ổ ệ ả ẩ ỉ ậ ệ 35
5 .thi t b gia nhi t nh p li u :ế ị ệ ậ ệ 39
2

II. TÍNH B O ÔN C A THI T B :Ả Ủ Ế Ị 42
III . TÍNH TOÁN B M NH P LI U:Ơ Ậ Ệ 43
1 . Tính chi u cao b n cao v :ề ồ ị 43
2 . Ch n b m:ọ ơ 46
CH NG V : GIÁ THÀNH THI T B .ƯƠ Ế Ị 48
I . TÍNH S B GIÁ THÀNH C A THI T B :Ơ Ộ Ủ Ế Ị 48
II . K T LU N:Ế Ậ 49
TÀI LI U THAM KH OỆ Ả 50
3

LỜI MỞ ĐẦU
Một trong những ngành có sự đóng góp to lớn đến ngành công nghiệp nước ta
nói riêng và thế giới nói chung, đó là ngành công nghiệp hóa học. Đặc biệt là ngành
hóa chất cơ bản.

Hiện nay, trong nhiều ngành sản suất hóa học cũng như sử dụng sản phẩm hóa
học, nhu cầu sử dụng nguyên liệu hoặc sản phẩm có độ tinh khiết cao phải phù hợp
với quy trình sản suất hoặc nhu cầu sử dụng.
Ngày nay, các phương pháp được sử dụng để nâng cao độ tinh khiết: trích ly,
chưng cất, cô đặc, hấp thu… Tùy theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có sự lựa
chọn phương pháp thích hợp. Đối với hệ acid axetic- Nước là 2 cấu tử tan lẫn hoàn
toàn, ta phải dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho acid axetic.
Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị là một môn học mang tính tổng hợp trong
quá trình học tập của các kỹ sư hoá- thự c phẩm tương lai. Môn học giúp sinh viên
giải quyết nhiệm vụ tính toán cụ thể về: yêu cầu công nghệ, kết cấu, giá thành của
một thiết bị trong sản xuất hoá chất - thực phẩm. Đây là bước đầu tiên để sinh viên
vận dụng những kiến thức đã học của nhiều môn học vào giải quyết những vấn đề kỹ
thuật thực tế một cách tổng hợp.
Nhiệm vụ của ĐAMH là thiết kế tháp chưng cất hệ acid axetic - Nước hoạt động
liên tục với nâng suất nhập liệu : 5m
3
/h có nồng độ 8% mol acid axetic ,thu được sản
phẩm đỉnh có nồng độ 0.5% mol acid axetic với nồng độ dung dịch đáy acid axetic là
30%.
Em chân thành cảm ơn các quí thầy cô bộ môn Máy & Thiết Bị, các bạn sinh
viên đã giúp em hoàn thành đồ án này. Tuy nhiên, trong quá trình hoàn thành đồ án
không thể không có sai sót, em rất mong quí thầy cô góp ý, chỉ dẫn.
4

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN.
I . LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT:
1 . Phương pháp chưng cất :
Chưng cất là qua trình phân tách hỗn hợp lỏng (hoặc khí lỏng) thành các cấu
tử riêng biệt dựa vào sự khác nhau về độ bay hơi của chúng (hay nhiệt độ sôi khác
nhau ở cùng áp suất), bằng cách lặp đi lặp lại nhiều lần quá trình bay hơi - ngưng

tụ, trong đó vật chất đi từ pha lỏng vào pha hơi hoặc ngược lại. Khác với cô đặc,
chưng cất là quá trình trong đó cả dung môi và chất tan đều bay hơi, còn cô đặc là
quá trình trong đó chỉ có dung môi 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 hệ cấu tử thì ta thu được 2
sản phẩm: sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm gồm cấu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt độ sôi
nhỏ ), sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi bé(nhiệt độ sôi lớn) .Đối
với hệ acid axetic - nước sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm nước và một ít acid axetic ,
ngược lại sản phẩm đáy chủ yếu gồm acid axetic và một ít nước.
Các phương pháp chưng cất: được phân loại theo:
• Áp suất làm việc : chưng cất áp suất thấp, áp suất thường và áp suất cao.
Nguyên tắc của phương pháp này là dựa vào nhiệt độ sôi của các cấu tử, nếu
nhiệt độ sôi của các cấu tử quá cao thì ta giảm áp suất làm việc để giảm
nhiệt độ sôi của các cấu tử.
• Nguyên lý làm việc: liên tục, gián đoạn(chưng đơn giản) và liên tục.
* Chưng cất đơn giản(gián đoạn): phương pháp này đuợc sử dụng trong
các trường hợp sau:
+ Khi nhiệt độ

sôi của các cấu tử khác xa nhau.
+ Không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao.
+ Tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi.
+ Tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử.
* Chưng cất hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục) là quá
trình được thực hiện liên tục, nghịch dòng, nhều đoạn.
• Phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp: cấp nhiệt trực tiếp bằng hơi nước:
thường được áp dụng trường hợp chất được tách không tan trong nước .
Vậy: đối với hệ acid axetic – Nước, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục
cấp nhiệt gián tiếp bằng nồi đun ở áp suất thường.
5

2 . Thiết bị chưng cất:
Trong sản xuất thường sử dụng rất nhiều loại tháp nhưng chúng đều có một yêu
cầu cơ bản là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn ,điều này phụ thuộc vào độ
phân tán của lưu chất này vaò lưu chất kia .
Tháp chưng cất rất phong phú về kích cỡ và ứng dụng ,các tháp lớn nhất thường
được ứng dụng trong công nghiệp lọc hoá dầu. Kích thước của tháp : đường kính
tháp và chiều cao tháp tuỳ thuộc suất lượng pha lỏng, pha khí của tháp và độ tinh
khiết của sản phẩm. Ta khảo sát 2 loại tháp chưng cất 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 để chia thân tháp thành những đoạn bằng nhau, trên mâm
pha lỏng và pha hơi đựơc cho tiếp xúc với nhau. Tùy theo cấu tạo của đĩa, ta
có:
* Tháp mâm chóp : trên mâm có chóp dạng tròn hay một dạng khác,có
rãnh xung quanh để pha khí đi qua va ống chảy chuyền có hình tron
* Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm bố trí các lỗ có đường kính 3-12mm
được bố trí trên các đỉnh tam giác,bước lổ bằng 2,5 đến 5 lần đường kính
• Tháp chêm(tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều đoạn 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.
• So sánh ưu và nhược điểm của các loại tháp :
Tháp chêm. Tháp mâm xuyên lo. Tháp mâm chóp.
Ưu điểm: - Đơn giản.
- Hiệu suất tương đối
cao. - Hiệu suất cao.
- Trở lực thấp. - Hoạt động khá ổn định. - Hoạt động ổn định.

- Làm việc với chất lỏng
bẩn.

Nhược
điểm: - Hiệu suất thấp. - Trở lực khá cao. - Cấu tạo phức tạp.

6
- Thiết bị nặng.
- Không làm việc với
chất lỏng bẩn.
- Độ ổn định kém.
- Yêu cầu lắp đặt khắt
khe -> lắp đĩa thật phẳng. - Trở lực lớn.

Nhận xét: tháp mâm xuyên lỗ là trạng thái trung gian giữa tháp chêm và tháp mâm
chóp. Nên ta chọn tháp chưng cất là tháp mâm xuyên lỗ.
Vậy: Chưng cất hệ acid axetic - Nước ta dùng tháp mâm xuyên lỗ hoạt động
liên tục ở áp suất thường, cấp nhiệt gián tiếp ở đáy tháp.
II . GIỚI THIỆU SƠ BỘ NGUYÊN LIỆU :
Nguyên liệu là hỗn hợp acid axetic - Nước.
1 . Etanol: (Còn gọi là rượu etylic , cồn êtylic hay cồn thực phẩm).
Etanol có công thức phân tử: CH
3
-CH
2
-OH, khối lượng phân tử: 46 đvC. Là
chất lỏng có mùi đặc trưng, không độc, tan nhiều trong nước.
• Một số thông số vật lý và nhiệt động của etanol:
+ Nhiệt độ sôi ở 760(mmHg): 78.3
o
C.
+ Khối lượng riêng: d
4

20
= 810 (Kg/m
3
).
• Tính chất hóa học:
Tất cả các phản ứng hoá học xảy ra ở nhóm hydroxyl (-OH) của etanol là
thể hiện tính chất hoá học của nó.
* Phản ứng của hydro trong nhóm hydroxyl:
CH
3
-CH
2
-OH CH
3
-CH
2
-O
-
+ H
+
Hằng số phân ly của etanol:
18
10
23
−
−−
=
OHCHCH
K
, cho nên etanol là chất

trung tính.
+ Tính acid của rượu thể hiện qua phản ứng với kim loại kiềm, Natri
hydrua(NaH), Natri amid(NaNH
2
):
CH
3
-CH
2
-OH + NaH CH
3
-CH
2
-ONa + H
2
Natri etylat
Do
14
10
223
−
−−
=<
OHOHCHCH
KK
: tính acid của rượu nhỏ hơn tính acid
của nước, nên khi muối Natri etylat tan trong nước sẽ bị thuỷ phân thành
rượu trở lại.
+ Tác dụng với acid tạo ester: Rượu etanol có tính bazơ tương đương với
nước. Khi rượu tác dụng với acid vô cơ H

2
SO
4
, HNO
3
và acid hữu cơ đều
tạo ra ester.
CH
3
-CH
2
-OH + HO-SO
3
-H CH
3
-CH
2
O-SO
3
-H + H
2
O
CH
3
-CH
2
O-H + HO-CO-CH
3
CH
3

-COO-C
2
H
5
+ H
2
O
* Phản ứng trên nhóm hydroxyl:
+ Tác dụng với HX: CH
3
-CH
2
-OH + HX CH
3
-CH
2
-X + H
2
O
+ Tác dụng với Triclo Phốt pho:
CH
3
-CH
2
-OH + PCl
3
CH
3
-CH
2

-Cl + POCl + HCl
+ Tác dụng với NH
3
: CH
3
-CH
2
-OH + NH
3
C
2
H
5
-NH
2
+ H
2
O
+ Phản ứng tạo eter và tách loại nước:
2CH
3
-CH
2
-OH (CH
3
-CH
2
)
2
O + H

2
O
CH
3
-CH
2
-OH CH
2
=CH
2
+ H
2
O
* Phản ứng hydro và oxy hoá:
7
L nhạ
H
+
Al
2
O
3
t
o
H
2
SO
4
>150
o

C
H
2
SO
4
>150
o
C

CH
3
-CH
2
-OH CH
3
-CHO + H
2

• Ứng dụng: etanol có nhiều ứng dụng hơn metanol, nó đóng một vai trò quan
trọng trong nền kinh tế quốc dân. Nó là nguyên liệu dùng để sản suất hơn 150
mặt hàng khác nhau và được ứng dụng rộng rãi trong các ngành: công nghiệp
nặng, y tế và dược, quốc phòng, giao thông vận tải, dệt, chế biến gỗ và nông
nghiệp.
Sơ đồ tóm tắt vị trí của etanol trong các ngành công nghiệp.
• Phương pháp điều chế: có nhiều phương pháp điều chế etanol: hydrat hoá
etylen với xúc tác H
2
SO
4
; thuỷ phân dẫn xuất halogen và ester của etanol khi

đun nóng với nước xúc tác dung dịch bazơ; hydro hoá aldyhyt acêtic; từ các
hợp chất cơ kim…
Trong công nghiệp, điều chế etanol bằng phương pháp lên men từ nguồn
tinh bột và rỉ đường. Những năm gần đây, ở nước ta công nghệ sản suất etanol
chủ yếu là sử dụng chủng nấm men Saccharomyses cerevisiae để lên men tinh
bột:
C
6
H
6
O
6
2C
2
H
5
OH + 2CO
2
+ 28 Kcal
Trong đó: 95% nguyên liệu chuyển thành etanol và CO
2
.
5% nguyên liệu chuyển thành sản phẩm phụ: glyxêrin, acid
sucxinic, dầu fusel, metylic và các acid hữu cơ(lactic, butylic…).
2 . Nước:
Trong điều kiện bình thường: nước là chất lỏng không màu, không mùi, không
vị nhưng khối nước dày sẽ có màu xanh nhạt.
Khi hóa rắn nó có thể tồn tại ở dạng 5 dạng tinh thể khác nhau:
Khối lượng phân tử : 18 g / mol
Khối lượng riêng d

4
0
c : 1 g / ml
Nhiệt độ nóng chảy : 0
0
C
Nhiệt độ sôi : 100
0
C
8
Cu
200-300
o
C
N m menấ
Zymaza
+ Thu c súng không khói.ố
+ Nhiên li u ho ti n, bom bay.ệ ả ễ
+ ng l c.Độ ự
+ Thu c tr sâu.ố ừ
+ S n.ơ
+ Vecni.
+ nh a.Đồ ự
+ Keo dán.
+ H ng li u.ươ ệ
+ Sát trùng.
+ Pha ch thu c.ế ố
+ Thu c nhu m.ố ộ
+ T nhân t o.ơ ạ
+ R u mùi.ượ

+ D m.ấ
+ Dung môi h u c :pha s n ữ ơ ơ
+ Nguyên li u.ệ
+ Công nghi p cao su t ng ệ ổ
h pợ
+ ng l c.Độ ự
Nhiên li u.ệ
Etano
l

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.
Nước là dung môi phân cực mạnh, có khả năng hoà tan nhiều chất và là dung
môi rất quan trọng trong kỹ thuật hóa học.
3 . Hỗn hợp Etanol – Nước:
Ta có bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Etanol -
Nước ở 760 mmHg:
x(%phân mol) 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
y(%phân mol) 0 9.2 16.7 30.3 42.5 53 62.6 71.6 79.5 86.4 93 100
t(
o
C)
118.
4
115.
4
113.
8 110.1 107.5 105.8
104.
4

103.
3 102.1
101.
3 100.6 100

9

III. CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ ETANOL – NƯỚC:
Etanol là một chất lỏng tan vô hạn trong H
2
O, nhiệt độ sôi là 78,3
0
C ở
760mmHg, nhiệt độ sôi của nước là 100
o
C ở 760mmHg : hơi cách biệt khá xa nên
phương pháp hiệu quả để thu etanol có độ tinh khiết cao là phương pháp chưng cất.
Trong trường hợp này, ta không thể sử dụng phương pháp cô đặc vì các cấu tử
đều có khả năng bay hơi, và không sử dụng phương pháp trích ly cũng như phương
pháp hấp thụ do phải đưa vào một khoa mới để tách, có thể làm cho quá trình phức
tạp hơn hay quá trình tách không được hoàn toàn.
* Sơ đồ qui trình công nghệ chưng cất hệ Etanol – nước:
Chú thích các kí hiệu trong qui trình:
1 . Bồn chứa nguyên liệu.
2 . Bơm.
3 . Bồn cao vị.
4 . Lưu lượng kế.
5 . Thiết bị trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy.
6 . Thiết bị gia nhiệt nhập liệu.
7 . Bẩy hơi.

8 . Tháp chưng cất.
9 . Nhiệt kế.
10 . Ap kế.
11 . Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh.
12 . Nồi đun.
13 . Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh.
14 . Bồn chứa sản phẩm đỉnh.
15 . Bồn chứa sản phẩm đáy.
16 . Bộ phận phân dòng.
10

11

* Thuyết minh qui trình công nghệ:
Hỗn hợp etanol – nước có nồng độ etanol 10% ( theo phân mol), nhiệt độ
khoảng 28
0
C tại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3).
Từ đó được đưa đến thiết bị trao đổi nhiệt (5) ( trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy ).
Sau đó, hỗn hợp được đun sôi đến nhiệt độ sôi trong thiết bị gia nhiệt(6), hỗn hợp
được đưa vào tháp chưng cất (8) ở đĩa nhập liệu.
Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ 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 vì đã bị pha hơi tạo nên
từ nồi đun (12) 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 sôi cao là nước sẽ ngưng tụ lại,
cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử etanol chiếm nhiều nhất (có
nồng độ 85% phân mol). Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ (11) và được ngưng tụ
hoàn toàn. Một phần chất lỏng ngưng tụ đi qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh

(13), được làm nguội đến 35
0
C , rồi được đưa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh (14).
Phần còn lại của chất lỏng ngưng tụ đựơc hoàn lưu về tháp ở đĩa trên cùng với tỉ số
hoàn lưu tối ưu. Một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp được bốc hơi, còn lại cấu tử
có nhiệt độ sôi 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 ( nước). Hỗn hợp lỏng ở đáy
có nồng độ etanol là 0,11 % phân mol, còn lại là nước. Dung dịch lỏng đáy đi ra
khỏi tháp vào nồi đun (12). Trong nồi đun dung dịch lỏng một phần sẽ bốc hơi
cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại ra khỏi nồi đun được trao
đổi nhiệt với dòng nhập liệu trong thiết bị (5) (sau khi qua bồn cao vị).
Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là etanol, sản phẩm đáy sau
khi trao đổi nhiệt với nhập liệu có nhiệt độ là 60
0
C được thải bỏ.
12

CHƯƠNG II : CÂN BẰNG VẬT CHẤT .
I . CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU :
• Năng suất nhập liệu:
• (
x
=x
1
*M
1
/(x
1
*M
1

+(1-x
1
)*M
2
)=0.92*18/(0.92*18+0.08*60)=0.775
• 1/
antb
xx
ρρρ
/)1(/ −+=
=0.775/995.6 +(1-0.775)/1039.6,
tb
ρ
=1005.17kg/m
3
)
• G
F
=Q
F
*
tb
ρ
=5*1005.17=5025.86(kg/h).
• Nồng độ nhập liệu : 8% mol acid axetic (x
F
=0.92)
• Nồng độ sản phẩm đỉnh : 0.5% mol acid axetic( x
D
=0.995)

• Nồng độ sản phẩm đáy : 30% mol acid axetic.(x
W
=0.7)
• Khối lượng phân tử của acid axetic và nước : M
A
=60 kg/kmol , M
N
=18
kg/kmol .
• Chọn :
+ Nhiệt độ nhập liệu : t’
F
=28
o
C .
+ Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội : t’
D
=35
o
C .
+ Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt : t’
W
= 35
o
C .
+Trạng thái nhập liệu là trạng thái lỏng sôi .
• Các kí hiệu :
+ G
F
, F : suất lượng nhập liệu tính theo Kg/h , Kmol/h .

+ G
D
, D : suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo Kg/h , Kmol/h .
+ G
W
,W : suất lượng sản phẩm đáy tính theo Kg/h , Kmol/h .
+ x
i
,
i
x
: phân mol , phân khối lượng của cấu tử i .
II . XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG SẢN PHẨM ĐỈNH VÀ SẢN PHẨM ĐÁY
:
• Cân bằng vật chất cho toàn tháp : F = D + W (II.1)
• Cân bằng cấu tử : F.x
F
= D.x
D
+ W.x
W
(II.2)
Với : Khối lượng phân tử trung bình dòng nhập liệu :
M
F
=
60).1(.18
FF
xx −+
= 21.36 (Kg/Kmol).

F =
F
F
M
G
=
36.21
86.5025
=235.29 (Kmol/h)
Khối lượng phân tử trung bình dòng sản phẩm đáy :
M
W
=
60).1(.18
WW
xx −+
= 30.6 (Kg/Kmol).
Khối lượng phân tử trung bình dòng sản phẩm đỉnh :
M
D
=
60).1(.18
DD
xx −+
=18.21 (Kg/Kmol).
Giải 2 phương trình (II.1),(II.2)ta có :
D =175.47 (Kmol/h)
W = 59.819 (Kmol/h)

13

III . XÁC ĐỊNH TỈ SỐ HOÀN LƯU THÍCH HỢP:
1 . Tỉ số hoàn lưu tối thiểu:
Tỉ số hoàn lưu tối thiểu là chế độ làm việc mà tại đó ứng với số mâm lý thuyết
là vô cực .Do đó ,chi phí cố định là vô cực nhưng chi phí điều hành (nhiên liệu
,nước và bơm…) là tối thiểu .
R
min
=
x
y
y
x
F
F
F
D
−
−
*
*
=
92.0945.0
945.0995.0
−
−
=2
Tỉ số hoàn lưu thích hợp:R
X
=1.3R

min
+0.3=2.9
IV . PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LÀM VIỆCSỐ MÂM LÝ THUYẾT:
1 . Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất :
y =
1
.
1
.
+
+
+ R
x
x
R
R
D
=
19,2
995,0
.
19,2
9,2
+
+
+
x

=0,7436.x + 0.2551
2 . Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng :

y =
W
x
R
f
x
R
fR
.
1
1
.
1 +
−
+
+
+
=
7.0.
19,2
1341.1
.
19,2
341.19,2
+
−
+
+
+
x

= 1.087x – 0.0612
Với : f =
47.175
29.235
=
D
F
= 1.341 : chỉ số nhập liệu .
3 . Số mâm lý thuyết :
Đồ thị xác định số mâm lý thuyết :(Xem hình ở trang sau ).

số mâm lý thuyết là N
lt
= 27mâm .20 mâm cất,6 mâm chưng,1 mâm nhập
liệu
V . XÁC ĐỊNH SỐ MÂM THỰC TẾ:
Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình :

tb
lt
tt
η
N
N =
(st2/170)
trong đó: η
tb
: 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).

N
tt
: số mâm thực tế.
N
lt
: số mâm lý thuyết.
• Xác định hiệu suất trung bình của tháp η
tb
:
+ Độ bay tương đối của cấu tử dễ bay hơi :
x
x1
y1
y
*
*
−
−
=α
Với : x :phân mol của nước trong pha lỏng .
y
*
: phân mol của nước trong pha hơi cân bằng với pha lỏng.
Lgm
hh
=x
1
lgm
1
+ x

2
lgm
2
,tài liệu [4(tập 1) – trang 84]
* Tại vị trí nhập liệu :
14

x
F
= 0.92 ta tra đồ thị cân bằng của hệ : y
*
F
= 0.945
t
F
= 100.52
o
C
+
92.0
92.01
.
945.01
945.0
x
x1
y1
y
α
F

F
*
*
F
−
−
=
−
−
=
F
F
= 1.494
+ t
F
= 100.52
o
C , m
a
= 0.46.10
-3
Ns/m
2
; m
n
=0.284.10
-3
Ns/m
2
(t2/91,92)

m
F
=0.443.10
-3
(N.s/m
2
) =0,443 (cP)
Suy ra : a
F
. m
F
= 1.494*0.443 =0.662
Tra tài liệu tham khảo [(tập 2) – trang 171] : h
F
= 0.55
* Tại vị trí mâm đáy :
x
W
= 0.7 ta tra đồ thị cân bằng của hệ : y
*
W
= 0.795
t
W
= 102.1
o
C
+
7.0
7.01

.
795.01
795.0
x
x1
y1
y
α
W
W
*
*
W
−
−
=
−
−
=
W
W
= 1.662
+ và t
W
=102.1
o
C,m
a
= 0.46.10
-3

Ns/m
2
; m
n
=0.284.10
-3
Ns/m
2
m
W
=0.443.10
-3
(N.s/m
2
) =0,443 (cP)
Suy ra : a
W
. m
W
= 1.662*0.443 = 0.736
Tra tài liệu tham khảo [4(tập 2) – trang 171] : h
W
= 0.53
*Tại vị trí mâm đỉnh :
x
D
= 0.995 ta tra đồ thị cân bằng của hệ : y
*
D
= 0.997

t
D
= 100.22
o
C
+
995.0
995.01
.
997.01
997.0
x
x1
y1
y
α
D
D
*
*
D
−
−
=
−
−
=
D
D
= 1.67

+ t
D
= 100.22
o
C , ,m
a
= 0.46.10
-3
Ns/m
2
; m
n
=0.284.10
-3
Ns/m
2
m
D
=0.443.10
-3
(N.s/m
2
) =0,443 (cP)
Suy ra : a
D
. m
D
= 1.67*0.443 = 0.74
Tra tài liệu tham khảo [4(tập 2) – trang 171] : h
D

= 0.53
Suy ra: hiệu suất trung bình của tháp :
h
tb
=
537.0
3
55.053.053.0
3
=
++
=
++
DWF
ηηη
• Số mâm thực tế của tháp N
tt
:
537.0
27
=
tt
N
=50.28 mâm
Vậy chọn N
tt
= 50 mâm 37 mâm cất,12 mâm chưng 1 mam nhập liệu
15

CHƯƠNG III :TÍNH TOÁN –THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT .

I . ĐƯỜNG KÍNH THÁP :(D
t
)

tbyy
tb
g
)ω.(
0188,0
ω.3600.π
4V
D
tb
tb
t
ρ
==
(m)(t2 tr181)
V
tb
:lượng hơi trung bình đi trong tháp (m
3
/h).
ω
tb
:tốc độ hơi trung bình đi trong tháp (m/s).
g
tb
: 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 .
1. Đường kính đoạn cất :
a . Lượng hơi trung bình đi trong tháp :
2
1
gg
g
d
tb
+
=
(Kg/h)
g
d
: lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (Kg/h).
g
1
: lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn cất (Kg/h).
• Xác định g
d
: g
d
= D.(R+1) =175.47(2,9+1) = 684.333 (Kmol/h)
= 12404.22(Kg/h)
(Vì M
thD
=18.y
D
+(1-y
D

).60 = 18.126(Kg/Kmol).
• Xác định g
1
: Từ hệ phương trình :





=
+=
+=
dd
D
rgrg
xDxGyg
DGg


11
1111
11
(III.1)
Với : G
1
: lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn cất .
r
1
: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn cất
r

d
: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi ra ở đỉnh tháp .
* Tính r
1
: t
1
= t
F
= 100.52
o
C , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] ta có :
An nhiệt hoá hơi của nước : r
N1
= 40512.96 (KJ/kmol) .
An nhiệt hoá hơi của acid : r
a1
= 24195.24 (KJ/kmol) .
Suy ra : r
1
= r
N1
.y
1
+ (1-y
1
).r
a1
= 24195.24 + 16317.72y
1
(KJ/kmol)

* Tính r
d
: t
D
= 100.22
o
C , tra tài liệu tham khảo IV (tập 1) ta có :
An nhiệt hoá hơi của nước : r
Nd
= 40512.96 (KJ/kmol) .
An nhiệt hoá hơi của acid : r
ad
= 24195.24(KJ/kmol) .
Suy ra : r
d
= r
Nd
.y
D
+ (1-y
D
).r
ad
=40512.96*0.997 + (1- 0.997)*24195.24
= 40464 (KJ/kmol)
* x
1
= x
F
= 0.92

Giải hệ (III.1) , ta được : G
1
= 525.316 (Kmol/h)
y
1
= 0.939 (phân mol ) _ M
1
=20.1
g
1
= 700.786 (Kmol/h) = 14085.799(Kg/h)
Vậy : g
tb
=
2
22.12404799.14085 +
=13245.01(Kg/h)
b . Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp :
Tốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp với mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền :
16

ytb
xtb
gh
ρ
ρ
ω
.05,0=
Với : r
xtb

: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (Kg/m
3
) .
r
ytb
: khối lượng riêng trung bình của pha hơi (Kg/m
3
) .
• Xác định r
ytb
:
( )
[ ]
( )
273.4,22
273.60.118.
+
−+
=
tb
tbtb
ytb
t
yy
ρ

Với: + Nồng độ phân mol trung bình : y
tb
=
2

1 D
yy +
=
2
997.0939.0 +
=0.968
+ Nhiệt độ trung bình đoạn cất : t
tb
=
2
DF
tt +
=
2
22.10052.100 +
=100.37
o
C
Suy ra : r
ytb
=0.631 (Kg/m
3
).
• Xác định r
xtb
:
Nồng độ phân mol trung bình : x
tb
=
2

DF
xx +
=
2
099592.0 +
= 0.4577
Suy ra :
60).1(.18
.18
tbtb
tb
tb
xx
x
x
−+
=
t
tb
= 100.37
o
C , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)-trang 9], ta có :
r
a
=958kg/m
3
r
n

=958 kg/m
3
1/
antb
xx
ρρρ
/)1(/ −+=
r
xtb
= 958 (Kg/m
3
)
Suy ra :
631.0
958
.05,0=
gh
ω
=1.948 (m/s)
Để tránh tạo bọt ta chọn tốc độ hơi trung bình đi trong tháp :
948.1.8,0.8,0 ==
ghh
ωω
= 1.559 (m/s)
Vậy :đường kính đoạn cất :
D
cất
=
631.0*559.1
01.13245

.0188,0
=2.181 (m).
2. Đường kính đoạn chưng :
a . Lượng hơi trung bình đi trong tháp :
2
1
,,
,
gg
g
n
tb
+
=
(Kg/h)
g’
n
: lượng hơi ra khỏi đoạn chưng (Kg/h).
g’
1
: lượng hơi đi vào đoạn chưng (Kg/h).
• Xác định g’
n
: g’
n
= g
1
=700.786 (Kmol/h) = 14085.799(Kg/h)
• Xác định g’
1

: Từ hệ phương trình :





==
+=
+=
1111
1
'
1
1
'
1
'
1
'
.'.''.'
'.
rgrgrg
xWygxG
WgG
nn
WW
(III.2)
Với : G
’
1

: lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn chưng .
17

r’
1
: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn
chưng.
* Tính r’
1
: x
W
=0.7 tra đồ thị cân bằng của hệ ta có : y
W
=0.795
Suy ra :M
tbg’
=18.y
W
+(1-y
W
).60=26.61 (Kg/kmol)
t’
1
= t
W
= 102.1
o
C , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], ta có :
An nhiệt hoá hơi của nước : r’
N1

= 40512.96 (KJ/kmol) .
An nhiệt hoá hơi của rượu : r’
R1
=24195.24 (KJ/kmol) .
Suy ra : r’
1
= r’
N1
.y
W
+ (1-y
W
).r’
R1
= 37167.83 (KJ/kmol)
* Tính r
1
:
r
1
= r
N1
.y
1
+ (1-y
1
).r
a1
= 24195.24 + 16317.72y
1

=39517.579(KJ/kmol)
* W = 59.819 (Kmol/h)
Giải hệ (III.2) , ta được : x’
1
=0.788_ M
tbG’
=26.9
G
’
1
=804.91 (Kmol/h)
g’
1
= 745.09 (Kmol/h) = 20042.921(Kg/h)
Vậy : g’
tb
=
2
799.14085921.20042 +
=17064.36 (Kg/h)
b . Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp :
Tốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp với mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền :
ytb
xtb
gh
'
'
.05,0'
ρ
ρ

ω
=
Với : r'
xtb
: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (Kg/m
3
) .
r'
ytb
: khối lượng riêng trung bình của pha hơi (Kg/m
3
) .
• Xác định r’
ytb
:
( )
[ ]
( )
273'.4,22
273.60.'118.'
'
+
−+
=
tb
tbtb
ytb
t
yy
ρ

Với: + Nồng độ phân mol trung bình :
y’
tb
=
2
1 W
yy +
=
2
795.0939.0 +
=0.867
+ Nhiệt độ trung bình đoạn chưng :t’
tb
=
2
WF
tt +
=
2
1.10252.100 +
=101.31
o
C
Suy ra : r’
ytb
=0.768 (Kg/m
3
).
• Xác định r’

xtb
:
Nồng độ phân mol trung bình : x’
tb
=
2
WF
xx +
=
2
7.092.0 +
=0.81
Suy ra :
60).'1('.18
'.18
'
tbtb
tb
tb
xx
x
x
−+
=
=0.5612
t’
tb
= 101.31
o
C , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)-trang 9], ta có :

Khối lượng riêng của nước : r’
N
= 958(Kg/m
3
)
Khối lượng riêng của rượu : r’
a
= 958(Kg/m
3
)
Suy ra :r’
xtb
=
1
'
'1
'
'
−








−
+
N

tb
R
tb
xx
ρρ
=958 (Kg/m
3
)
18

Suy ra :
768,0
958
.05,0' =
gh
ω
=1.766 (m/s)
Để tránh tạo bọt ta chọn tốc độ hơi trung bình đi trong tháp :
==
ghh
'.8,0'
ωω
0.8*1.766= 1.413 (m/s)
Vậy :đường kính đoạn cất :
D
chưng
=
413.1*768.0
36.17064
.0188,0

=2.36 (m).
Kết luận : hai đường kính đoạn cất và đoạn chưng không chênh lệch nhau quá
lớn nên ta chọn đường kính của toàn tháp là : D
t
= 2.2(m).
Khi đó tốc độ làm việc thực ở :
+ Phần cất : ω
lv
=
==
631.0.2.2
01.13245.0188,0
.
.0188,0
2
2
2
2
ytbt
tb
D
g
ρ
1.533(m/s).
+ Phần chưng :ω’
lv
=
==
768,0.2.2
36.17064.0188,0

'.
'.0188,0
2
2
2
2
ytbt
tb
D
g
ρ
1.623(m/s).
II . MÂM LỖ – TRỞ LỰC CỦA MÂM :
1 . Cấu tạo mâm lỗ :
Chọn : + Đường kính lỗ : d
l
= 8 (mm).
+ Tổng diện tích lỗ bằng 10% diện tích mâm.
+ Khoảng cách giữa hai tâm lỗ bằng 3 lần đường kính lỗ (bố trí lỗ theo
tam giác đều ).
+ Tỷ lệ bề dày mâm và đường kính lỗ là 6/10 .
+ Diện tích dành cho ống chảy chuyền là 20% diện tích mâm .
Số lỗ trên 1 mâm :
N =
lo
mâm
S
%.10 S
=
2

2
008,0
2.2
.1.0.1.0






=








l
t
d
D
=7562.5 lỗ.
2 . Độ giảm áp của pha khí qua một mâm :
Độ giảm áp tổng cộng của pha khí (tính bằng mm.chất lỏng ) là tổng các độ
giảm áp của pha khí qua mâm khô và các độ giảm áp do pha lỏng :
h
tl
= h

k
+ h
l
+ h
R
(mm.chất lỏng)
Với : + h
k
:độ giảm áp qua mâm khô (mm.chất lỏng).
+ h
l
: độ giảm áp do chiều cao lớp chất lỏng trên mâm(mm.chất lỏng).
+h
R
: độ giảm áp do sức căng bề mặt (mm.chất lỏng).
Trong tháp mâm xuyên lỗ ,gradien chiều cao mực chất lỏng trên mâm ∆ là
không đáng kể nên có thể bỏ qua .
a . Độ giảm áp qua mâm khô :
Độ giảm áp của pha khí qua mâm khô được tính dựa trên cơ sở tổn thất áp
suất do dòng chảy đột thu , đột mở và do ma sát khi pha khí chuyển động qua
lỗ.
L
G
o
o
L
G
o
o
k

C
u
g
C
v
h
ρ
ρ
ρ
ρ
0,51
2
.
2
2
2
2








=

















=
(mm.chất lỏng)
Với : + u
o
:vận tốc pha hơi qua lỗ (m/s).
19

+ r
G
: khối lượng riêng của pha hơi (Kg/m
3
).
+ r
L
: khối lượng riêng của pha lỏng (Kg/m
3
).
+ C

o
:hệ số orifice ,phụ thuộc vào tỷ số tổng diện tích lỗ với diện tích
mâm và tỷ số giữa bề dày mâm với đường kính lỗ.
Ta có :
mâm
S
S
lo
∑
=0.1và
lo
mâm
d
δ
=0,6 .Tra tài liệu tham khảo [1 – trang
111] : C
o
= 0,7
• Đối với mâm ở phần cất :
+ Vận tốc pha hơi qua lỗ : u
o
=
1.0
533.1
%10
=
lv
ω
=15.33 (m/s).
+ Khối lượng riêng của pha hơi : r

G
= ρ
ytb
= 0.631 (Kg/m
3
).
+ Khối lượng riêng của pha lỏng : r
L
= ρ
xtb
= 958 (Kg/m
3
).
Suy ra độ giảm áp qua mâm khô ở phần cất :
958
631.0
.
7.0
33.15
.51
2
2









=
k
h
=16.11(mm.chất lỏng).
• Đối với mâm ở phần chưng :
+ Vận tốc pha hơi qua lỗ : u’
o
=
1.0
623.1
%10
'
=
lv
ω
=16.23 (m/s).
+ Khối lượng riêng của pha hơi : r’
G
= ρ’
ytb
= 0.768 (Kg/m
3
).
+ Khối lượng riêng của pha lỏng : r’
L
= ρ’
xtb
= 958 (Kg/m
3
).

Suy ra độ giảm áp qua mâm khô ở phần chưng :
958
768.0
.
7,0
23.16
.51'
2
2








=
k
h
= 21.98 (mm.chất lỏng).
b . Độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm :
Phương pháp đơn giản để ước tính độ giảm áp của pha hơi qua mâm do lớp chất
lỏng trên mâm h
l
là từ chiều cao gờ chảy tràn h
w
, chiều cao tính toán của lớp chất
lỏng trên gờ chảy tràn h
ow

và hệ số hiệu chỉnh theo kinh nghiệm β :
h
l
= β.( h
w
+ h
ow
) , (mm.chất lỏng)
Chọn : + Hệ số hiệu chỉnh : β = 0,6
+ Chiều cao gờ chảy tràn : h
w
= 50 (mm)
Chiều cao tính toán của lớp chất lỏng trên gờ chảy tràn được tính từ phương
trình Francis với gờ chảy tràn phẳng :
3
2
.4.43








=
w
L
ow
L

q
h
, (mm.chất lỏng)
Với : + q
L
: lưu lượng của chất lỏng (m
3
/ph).
+ L
w
:chiều dài hiệu dụng của gờ chảy tràn (m).
• Xác định L
w
:
Diện tích dành cho ống chảy chuyền là 20% diện tích mâm , nên ta có
phương trình sau :
π
π
.2,0sin
180
.
=−
o
o
o
n
n
Với : n
o
:góc ở tâm chắn bởi chiều dài đoạn L

w
.
20

Dùng phương pháp lặp ta được : n
o
= 93
o
12’22”
Suy ra : L
w
= D
t
. sin(n
o
/2) = 1.6 (m).
• Xác định q
L
:
• Phần cất :
958.60
785.19.47.175.9.2
.60

==
xtb
tb
L
MDR
q

ρ
= 0.175 (m
3
/ph).(T10/285)
• Với: M
tb
=0.9575*18+(1 9575)*60=19.785
Suy ra :
3
2
6.1
175.0
.4.43






=
ow
h
= 9.926 (mm).
Vậy :Độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm ở phần cất là:
h
l
= 0.6.(50+9.926) = 35.956 (mm.chất lỏng).
• Phần chưng :
958.60
98.25*153.774

'.60
).*
'
(
=
+
=
xtb
tb
F
D
L
MR
q
G
G
ρ
=0.336 (m
3
/ph).
• Với:M
tb
=0.81*18+(1-0.81)*60=25.98
Suy ra :
3
2
6.1
336.0
.4.43'







=
ow
h
= 15.333 (mm).
Vậy :Độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm ở phần chưng :
h’
l
= 0.6.(50+15.333) = 39.2 (mm.chất lỏng).
c . Độ giảm áp do sức căng bề mặt :
Độ giảm áp do sức căng bề mặt được xác định theo biểu thức :
lL
R
d
h
.
.54.625
ρ
σ
=
, (mm.chất lỏng)
Với : + σ : sức căng bề mặt của chất lỏng (dyn/cm).
+ ρ
L
: khối lượng riêng của pha lỏng (Kg/m
3

).
• Phần cất :
* Khối lượng riêng của pha lỏng : r
L
= ρ
xtb
= 958 (Kg/m
3
).
* t
tb
= 100.37
o
C ,tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], ta có :
+ Sức căng bề mặt của nước : σ
N
= 58.9 (dyn/cm).
+ Sức căng bề mặt của acid : σ
a
= 19.8 (dyn/cm).
Suy ra :Sức căng bề mặt của chất lỏng ở phần cất :
aN
aN
σσ
σσ
σ
+
=
.
= 14.819 (dyn/cm).

Vậy : Độ giảm áp do sức căng bề mặt ở phần cất là :
008.0.958
10.849.14
.54.625
3−
=
R
h
= 1.212 (mm.chất lỏng).
• Phần chưng :
* Khối lượng riêng của pha lỏng : r’
L
= ρ’
xtb
= 958 (Kg/m
3
).
* t’
tb
= 101.31
o
C ,tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], ta có :
+ Sức căng bề mặt của nước : σ’
N
= 58.9 (dyn/cm).
+ Sức căng bề mặt của acid : σ’
a
= 19.8 (dyn/cm).
Suy ra :Sức căng bề mặt của chất lỏng ở phần chưng :
21

aN
aN
''
'.'
'
σσ
σσ
σ
+
=
= 14.819 (dyn/cm).
Vậy : Độ giảm áp do sức căng bề mặt ở phần chưng là :
008.0.958
10.849.14
.54.625'
3−
=
R
h
= 1.212 (mm.chất lỏng).
Tóm lại : Độ giảm áp tổng cộng của pha khí qua một mâm ở :
+ Phần cất : h
tl
= 16.11+35.956+1.212 = 53.278 (mm.chất lỏng).
hay h
tl
= 53.278 . 10
-3
. 9.81 . 958 = 500.71 (N/m

2
).
+ Phần chưng : h’
tl
= 21.98+39.2+1.212 = 62.392 (mm.chất lỏng).
hay h’
tl
= 62.392 . 10
-3
. 9.81 . 958 = 586.36 (N/m
2
).
Suy ra :Tổng trở lực của toàn tháp hay độ giảm áp tổng cộng của toàn tháp
là :(xem độ giảm áp tổng cộng của pha khí qua mâm nhập liệu bằng độ giảm áp
tổng cộng của pha khí qua một mâm ở phần chưng )
∑h
tl
= 37. h
tl
+ 13. h’
tl
= 37 . 500.71+13 .586.36 =26148.95 (N/m
2
).
3 . Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động :
Chọn khoảng cách giữa hai mâm là h
mâm
=0.4 (m).
Bỏ qua sự tạo bọt trong ống chảy chuyền, chiều cao mực chất lỏng trong ống
chảy chuyền của mâm xuyên lỗ được xác định theo biểu thức :

h
d
= h
w
+ h
ow
+ h
tl
+ h
d’
, (mm.chất lỏng)
Với : h
d’
: tổn thất thuỷ lực do dòng lỏng chảy từ ống chảy chuyền vào mâm,
được xác định theo biểu thức sau :
2
'
.100
.128.0








=
d
L

d
S
Q
h
, (mm.chất lỏng)
trong đó : + Q
L
: lưu lượng của chất lỏng (m
3
/h).
+ S
d
: tiết diện giữa ống chảy chuyền và mâm, khi đó :
S
d
= 0.8 . S
mâm
= 0.8 . π.1.1
2
=2.76 (m
2
)
• Phần cất : Q
L
= 60.q
L
= 60 . 0.175 =10.5 (m
3
/h).
Suy ra :

2
'
76.2.100
5.10
.128.0






=
d
h
= 0.00018 (mm.chất lỏng).
Vậy : chiều cao mực chất lỏng trong ống chảy chuyền của mâm xuyên lỗ ở
phần cất :
h
d
=50+9.926+53.278+0.00018 =113.204 (mm.chất lỏng).
Kiểm tra : h
d
= 113.204 <
200
2
400
2
mâm
==
h

(mm) : đảm bảo khi hoạt động
các mâm ở phần cất sẽ không bị ngập lụt.
• Phần chưng : Q’
L
= 60.q’
L
= 60 .0.336 = 20.16 (m
3
/h).
Suy ra :
2
'
76.2.100
16.20
.128.0'






=
d
h
= 0.00068 (mm.chất lỏng).
Vậy : chiều cao mực chất lỏng trong ống chảy chuyền của mâm xuyên lỗ ở
phần chưng :
h’
d
=50+15.333+62.392+0,00068 =127.726 (mm.chất lỏng).

22

Kiểm tra : h’
d
= 127.726 <
200
2
400
2
mâm
==
h
(mm) : đảm bảo khi hoạt động
các mâm ở phần chưng sẽ không bị ngập lụt.
Vậy : khi hoạt động đảm bảo tháp sẽ không bị ngập lụt.
Chiều cao của thân tháp :H
thân
=N
tt
.(h
mâm
+δ
mâm
) + 0,8
=50.(0.4+0.0064) +0,8 =21.12(m).
Chiều cao của đáy và nắp : H
đ
= H
n
=h

t
+h
gờ
=0.55+0.025=0.575(m).
(Xem ở phần (III.2) : Đáy và Nắp thiết bị ).
Chiều cao của tháp : H = H
thân
+ H
đ
+ H
n
= 21.695(m).
III . TÍNH TOÁN CƠ KHÍ CỦA THÁP :
1 . Bề dày thân tháp :
Vì tháp chưng cất hoạt động ở áp suất thường nên ta thiết kế thân hình trụ bằng
phương pháp hàn giáp mối (phương pháp hồ quang ). Thân tháp được ghép với
nhau bằng các mối ghép bích.
Để đảm bảo chất lượng của sản phẩm và khả năng ăn mòn của acid đối với thiết
bị, ta chọn vật liệu chế tạo thân tháp là thép không gỉ mã X18H10T.
• Ap suất tính toán :
Tháp làm việc ở áp suất khí quyển, nên ta chọn áp suất tính toán :
P
tt
=P
cl
+ ∑h
tl
, (N/mm
2
)

Với : P
cl
: áp suất thủy tĩnh do chất lỏng ở đáy (N/mm
2
).
Chọn áp suất tính toán sao cho tháp hoạt động ở điều kiện nguy hiểm nhất mà
vẫn an toàn nên :
P
cl
= ρ
x
.g.H =
2
'
xtbxtb
ρρ
+
.g.H=958. 9.81 . 21.695
=203889.18 (N/m
2
).
Suy ra : P
tt
= 203889.18 + 26148.95 =230038.12 (N/m
2
) ~0.23(N/mm
2
).
• Nhiệt độ tính toán :
Chọn nhiệt độ tính toán : t

tt
= t
đáy
= 102.1
o
C .
Tra tài liệu tham khảo [5], ứng suất tiêu chuẩn đối với thép X18H10T :
[σ]
*
= 142 (N/mm
2
).(t22)
Đối với acid hệ số hiệu chỉnh : η = 1
Vậy : ứng suất cho phép : [σ] = η.[σ]
*
= 142 (N/mm
2
).
• Xác định bề dày thân chịu áp suất trong :
Ta chọn phương pháp chế tạo thân là phương pháp hàn hồ quang điện bằng
tay nên hệ số bền mối hàn : ϕ
h
= 0,95
Xét tỷ số :
[ ]
95.0.
23.0
142
. =
h

tt
P
ϕ
σ
=586.52 > 25,do đó, bề dày tính toán của thân
được tính theo công thức sau :
[ ]
95,0.142.2
23.0.2200
2
.
' ==
h
ttt
t
PD
S
ϕσ
=1.87 (mm).
Suy ra : bề dày thực của thân : S
t
= S’
t
+ C ,(mm).
Trong đó : C :hệ số bổ sung bề dày, C = C
a
+ C
b
+ C
c

+ C
o
23

Với : + C
a
: hệ số bổ sung do ăn mòn hoá học, phụ thuộc vào tốc độ ăn
mòn của chất lỏng. Chọn tốc độ ăn mòn của acid là 0,1 (mm/năm),thiết
bị hoạt động trong 20 năm, do đó C
a
= 2 mm.
+C
b
: hệ số bổ sung do bào mòn cơ học, chọn C
b
= 0.
+C
c
: hệ số bổ sung do sai lệch khi chế tạo, chọn C
c
= 0.
+C
o
: hệ số bổ sung qui tròn, chọn C
o
=1 (mm).
Suy ra : C = 2 + 0 + 0 + 1 = 3 (mm).
Vậy : S
t
= 1.87 + 3 = 4.87 (mm).

* Kiểm tra công thức tính toán với S
t
= 4.87 (mm) :
2200
287.4 −
=
−
t
at
D
CS
= 0.0013< 0,1 : đúng.
* Kiểm tra áp suất tính toán cho phép :
[ ]
[ ]
( )
( )
( )
( )
2215.52200
2215.5.95.0.142.2
2
−+
−
=
−+
−
=
att
ath

tt
CSD
CS
P
ϕσ
=0.394 > P
tt
: đúng.
Vậy : Bề dày thực của thân là S
t
= 4.87 (mm).
Chọn bề dày S
t
=5mm
2 . Đáy và nắp thiết bị :
Chọn đáy và nắp có dạng là ellipise tiêu chuẩn, có gờ bằng thép X18H10T.
Nhận thấy: công thức tính toán bề dày thân, đáy và nắp chịu áp suất trong là như nhau.
Nên chọn bề dày của đáy và nắp là S
đ
= S
n
= 5(mm).
Các kích thước của đáy và nắp ellipise tiêu chuẩn, có gờ(tài liệu tham khảo [4(tập 2)]:
+ Đường kính trong: D
t
= 2200 (mm).
+ h
t
=550(mm).
+ Chiều cao gờ: h

gờ
= h = 25 (mm).
+Diện tích bề mặt trong: S
đáy
= 4.48 (m
2
).
3 . Bích ghép thân, đáy và nắp :
Mặt bích là bộ phận quan trọng dùng để nối các phần của thiết bị cũng như nối
các bộ phận khác với thiết bị. Các loại mặt bích thường sử dụng:
+ Bích liền: là bộ phận nối liền với thiết bị (hàn, đúc và rèn). Loại bích này
chủ yếu dùng thiết bị làm việc với áp suất thấp và áp suất trung bình.
+ Bích tự do: chủ yếu dùng nối ống dẫn làm việc ở nhiệt độ cao, để nối các bộ
bằng kim loại màu và hợp kim của chúng, đặc biệt là khi cần làm mặt bích bằng vật
liệu bền hơn thiết bị.
+ Bích ren: chủ yếu dùng cho thiết bị làm việc ở áp suất cao.
Chọn bích được ghép thân, đáy và nắp làm bằng thép X18H10T, cấu tạo của
bích là bích liền không cổ.
24

Theo tài liệu tham khảo [4 (tập 2)- trang 423], ứng với D
t
=2200(mm) và áp suất
tính toán P
tt
= 0.23(N/mm
2
) ta chọn bích có các thông số sau :
D
t

D
D
b
D
1
D
o
h Bu lông
d
b
Z
mm
(cái)
2200 2360 2300 2260 2215 40 27 56

Theo tài liệu tham khảo [4 (tập 2)- trang 170], chọn số mâm giữa hai mặt bích là10
mâm.Vậy, số bích ghép thân-đáy-nắp là 6 bích.
Độ kín của mối ghép bích chủ yếu do vật đệm quyết định. Đệm làm bằng các vật liệu
mềm hơn so với vật liệu bích. Khi xiết bu lông, đệm bị biến dạng và điền đầy lên các chỗ
gồ ghề trên bề mặt của bích. Vậy, để đảm bảo độ kín cho thiết bị ta chọn đệm là dây
amiăng, có bề dày là 3(mm).
4 . Đường kính các ống dẫn – Bích ghép các ống dẫn :
Bích được làm bằng thép CT
3
, cấu tạo của bích là bích liền không cổ.
a . Vị trí nhập liệu :
Suất lượng nhập liệu: Q
F
= 5 (m
3

/h).
Chọn vận tốc chất lỏng nhập liệu (tự chảy từ bồn cao vị vào mâm nhập liệu):
v
F
= 0.2 (m/s).
Đường kính ống nhập liệu: d
F
=
094.0
2.0 3600
5.4
3600
.4
==
ππ
F
F
v
Q
(m).
Suy ra: chọn đường kính ống nhập liệu: d
F
= 0.1(m).
25