đồ án công nghệ thiết kế hệ thống chưng cất nước – axit axetic có năng suất là 500 lít trên giờ

Đồ án môn học
MỤC LỤC
Lời mở đầu
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
I. Lý thuyết về chưng cất
1. Khái niệm
2. Các phương pháp chưng cất
3. Thiết bị chưng cất
II. Giới thiệu sơ bộ về nguyên liệu
4. Axit axetic
5. Nước
CHƯƠNG II: CÂN BẰNG VẬT CHẤT
Các thông số ban đầu. 7
II. Xác định suất lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy thu được
8
III. Xác định tỉ số hoàn lưu làm việc
IV. Phương trình đường làm việc –số mâm lý thuyết 11
V. Xác định số mâm thực tế 11
CHƯƠNG III:TÍNH TOÁN THẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT 14
I. Đường kính tháp… 14
1. Đường kính đoạn cất: 14
2. Đường kính đạon chưng: 16
II. Mâm lỗ - trở lực của mâm 18
1. Cấu tạo mâm lỗ: 18
2. Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động 23
III. Tính toán cơ khí của tháp 24
1. Bề dày của tháp: 24
2. Đáy và lắp: 26
IV. BÍCH GHÉP THÂN – ĐÁY VÀ NẮP: 26
V. CỬA NỐI ỐNG DẪN VỚI THIẾT BỊ - BÍCH NỐI CÁC BỘ
PHẬN CỦA THIẾT BỊ VÀ ỐNG DẪN: 28

1. Ống nhập liệu: 28
2. Ống hơi ở đỉnh tháp: 29
3. Ống hoàn lưu: 29
4. Ống hơi ở đáy tháp: 30
5. Ống dẫn lỏng vào nồi đun: 31
6. Ống dẫn lỏng vào đáy tháp: 31
CHƯƠNG V: TÍNH THIẾT BỊ PHỤ- THIẾT BỊ PHỤ 34
CHƯƠNG VII: TÍNH KINH TẾ 53
I, Các thiết bị truyền nhiệt.
[Type text] Page 1
Đồ án môn học
II, tính toán bơm nhập liệu
Lời kết… ……………… 55
Tài liệu tham khảo 55
[Type text] Page 2
LỜI MỞ ĐẦU
Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển và cùng với nó là nhu cầu ngày càng cao về độ tinh khiết của
các sản phẩm. Vì thế, các phương pháp nâng cao độ tinh khiết luôn luôn được cải tiến và đổi mới để
ngày càng hoàn thiện hơn, như là: cô đặc, hấp thụ, chưng cất, trích ly,… Tùy theo đặc tính yêu cầu của
sản phẩm mà ta có sự lựa chọn phương pháp phù hợp. Đối với hệ Nước – Axit axetic là 2 cấu tử tan lẫn
hoàn toàn, ta phải dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết.
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 Công nghệ Hóa học tương lai. Môn học giúp sinh viên giải quyết nhiệm vụ tính toán cụ thể về:
quy trình công nghêä, kết cấu, giá thành của một thiết bị trong sản xuất hóa 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 Đồ án này là thiết kế hệ thống chưng cất Nước – Axit axetic có năng suất là 500l/h,
nồng độ nhập liệu là 8%(kg axit/kg hỗn hợp), nồng độ sản phẩm đỉnh là 95,5%(kg nước/kg hỗn hợp),
nồng độ sản phẩm đáy là 28%(kg axit/kg hỗn hợp). Sử dụng hơi đốt có áp suất 2,5at.
Đồ án môn học

Chương 1

GIỚI THIỆU
I. LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT :
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 các cấu tử trong hỗn hợp (nghĩa là khi ở cùng một nhiệt độ, áp
suất hơi bão hòa 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 thu hoặc nhả khí, trong quá 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 quá trình này có một ranh giới cơ bản là trong 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), còn trong quá trình cô đặc
thì chỉ có dung môi bay hơi còn 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 cấu tử có độ bay hơi bé và một phần rất ít
các cấu tử có độ bay hơi lớn.
[Type text] Page 3
Đồ án môn học
 Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần rất ít
cấu tử có độ bay hơi bé.
Đối với hệ Nước – Axit axetic thì:
 Sản phẩm đỉnh chủ yếu là nước.
 Sản phẩm đáy chủ yếu là axit axetic.

2. Các phương pháp chưng cất:
2.1. Phân loại theo áp suất làm việc:
- Áp suất thấp
- Áp suất thường
- Áp suất cao
2.2. Phân loại theo nguyên lý làm việc:
- Chưng cất đơn giản
- Chưng bằng hơi nước trực tiếp
- Chưng cất
2.3. Phân loại theo phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp:
- Cấp nhiệt trực tiếp
- Cấp nhiệt gián tiếp
Vậy: đối với hệ Nước – Axit axetic, ta chọn phương pháp chưng cất
liên tục cấp nhiệt gián tiếp bằng nồi đun ở áp suất thường.
3.Thiết bị 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 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.
[Type text] Page 4
Đồ án môn học
 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 tròn, xupap, chữ
s…
- Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh

 Tháp chêm (tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối với nhau bằng
mặt bích hay hàn. Vật chêm được cho vào tháp theo một trong hai phương
pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự.
So sánh ưu nhược điểm của các loại tháp:
Tháp chêm Tháp mâm xuyên lỗ Tháp mâm
chóp
Ưu
điểm
- Cấu tạo khá đơn giản.
- Trở lực thấp.
- Làm việc được với chất lỏng
bẩn nếu dùng đệm cầu có ρ ≈
ρ của chất lỏng.
- Trở lực tương đối
thấp.
- Hiệu suất khá cao.
- Khá ổn định.
- Hiệu suất cao.
Nhượ
c
điểm
- Do có hiệu ứng thành →
hiệu suất truyền khối thấp.
- Độ ổn định không cao, khó
vận hành.
- Do có hiệu ứng thành → khi
tăng năng suất thì hiệu ứng
thành tăng → khó tăng năng
suất.
- Thiết bị khá nặng nề.

- Không làm việc
được với chất lỏng
bẩn.
- Kết cấu khá phức
tạp.
- Có trở lực
lớn.
- Tiêu tốn nhiều
vật tư, kết cấu
phức tạp.
Vậy: ta sử dụng tháp mâm xuyên lỗ để chưng cất hệ Nước – Axit
axetic.
[Type text] Page 5
Đồ án môn học
II. GIỚI THIỆU SƠ BỘ VỀ NGUYÊN LIỆU :
1. Axit axetic:
1.1. Tính chất:
 Là 1 chất lỏng không màu, có mùi sốc đặc trưng, trọng lượng
riêng 1,0497 (ở 20
o
C)
 Khi hạ nhiệt độ xuống 1 ít đã đông đặc thành 1 khối tinh thể có
T
o
nc
= 16,635 – 0,002
o
, T
o
sôi = 118

o
C
 Tan trong nước, rượu và ete theo bất kỳ tỷ lệ nào
 Là 1 axit yếu, hằng số phân ly nhiệt động của nó ở 25
o
C là K =
1,75.10
5−
Tính ăn mòn kim loại:
 Axit axetic ăn mòn sắt.
 Nhôm bị ăn mòn bởi axit loãng, nó đề kháng tốt đối với axit axetic đặc
và thuần khiết. Đồng và chì bị ăn mòn bởi axit axetic với sự hiện diện
của không khí.
 Thiếc và một số loại thép nikel – crom đề kháng tốt đối với axit axetic.
1.2. Điều chế:
Axit axetic được điều chế bằng cách:
1) Oxy hóa có xúc tác đối với cồn etylic để biến thành andehit axetic, là một
giai đoạn trung gian. Sự oxy hóa kéo dài sẽ tiếp tục oxy hóa andehit axetic
thành axit axetic.
CH
3
CHO + ½ O
2
= CH
3
COOH
C
2
H
5

OH + O
2
= CH
3
COOH + H
2
O
2) Oxy hóa andehit axetic được tạo thành bằng cách tổng hợp từ acetylen.
Sự oxy hóa andehit được tiến hành bằng khí trời với sự hiện diện của
coban axetat. Người ta thao tác trong andehit axetic ở nhiệt độ gần 80
o
C để
[Type text] Page 6
Đồ án môn học
ngăn chặn sự hình thành peroxit. Hiệu suất đạt 95 – 98% so với lý thuyết.
Người ta đạt được như thế rất dễ dàng sau khi chế axit axetic kết tinh được.
CH
3
CHO + ½ O
2

 →
C80ôûaxetatCoban
o
CH
3
COOH
3) Tổng hợp đi từ cồn metylic và Cacbon oxit.
Hiệu suất có thể đạt 50 – 60% so với lý thuyết bằng cách cố định cacbon
oxit trên cồn metylic qua xúc tác.

Nhiệt độ từ 200 – 500
o
C, áp suất 100 – 200atm:
CH
3
OH + CO → CH
3
COOH
với sự hiện diện của metaphotphit hoặc photpho – vonframat kim loại 2 và 3
hóa trị (chẳng hạn sắt, coban).
1.3. Ứng dụng:
Axit axetic là một axit quan trọng nhất trong các loại axit hữu cơ. Axit
axetic tìm được rất nhiều ứng dụng vì nó là loại axit hữu cơ rẻ tiền nhất. Nó
được dùng để chế tạo rất nhiều hợp chất và ester. Nguồn tiêu thụ chủ yếu của
axit axetic là:
 Làm dấm ăn (dấm ăn chứa 4,5% axit axetic).
 Làm đông đặc nhựa mủ cao su.
 Làm chất dẻo tơ sợi xenluloza axetat – làm phim ảnh không nhạy lửa.
 Làm chất nhựa kết dính polyvinyl axetat.
 Làm các phẩm màu, dược phẩm, nước hoa tổng hợp.
 Axetat nhôm dùng làm chất cắn màu (mordant trong nghề nhuộm)
 Phần lớn các ester axetat đều là các dung môi, thí dụ: izoamyl axetat
hòa tan được nhiều loại nhựa xenluloza.
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.
[Type text] Page 7
Đồ án môn học
Tính chất vật lý:

 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
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.
CHƯƠNG II:CÂN BẰNG VẬT CHẤT
I. CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU :
Chọn loại tháp là tháp mâm xuyên lỗ.
Khi chưng luyện dung dịch axit axetic thì cấu tử dễ bay hơi là nước.
Hỗn hợp:



=⇒
=⇒
)mol/g(18MOH:Nöôùc
)mol/g(60MCOOHCH:axeticAxit
N2
A3
 Năng suất nhập liệu: G

F
= 3.5 (m
3
/h)
 Nồng độ nhập liệu: x
F
= 0.92 (mol nước/ mol hỗn hợp)
 Nồng độ sản phẩm đỉnh: x
P
= 0.995 (mol nước/ mol hỗn hợp)
 Nồng độ sản phẩm đáy: x
W
= 0.70 (mol nước/ mol hỗn hợp)
 Chọn:
 Nhiệt độ nhập liệu: t
FV
= 25
o
C
 Trạng thái nhập liệu là trạng thái lỏng sôi.
Đối với thiết bị đun sôi đáy tháp :
 Áp suất hơi đốt : P
h
= 2.5at
Đối với thiết bị làm nguội sản phẩm đáy :
 Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi làm nguội: t
WR
= 40
o
C

 Nhiệt độ dòng nước lạnh đi vào: t
V
= 25
o
C
 Nhiệt độ dòng nước lạnh đi ra: t
R
= 35
o
C
[Type text] Page 8
Đồ án môn học
Đối với thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh :
 Nhiệt độ dòng nước lạnh đi vào: t
V
= 25
o
C
 Nhiệt độ dòng nước lạnh đi ra: t
R
= 40
o
C
 Các ký hiệu:
 G
F
, F: suất lượng nhập liệu tính theo kg/h, kmol/h.
 G
P
, P: 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
, x
i
: nồng độ phần mol, phần khối lượng của cấu tử i.
II. XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG SẢN PHẨM ĐỈNH và SẢN PHẨM
ĐÁY THU ĐƯỢC :
1. Phần khối lượng cấu tử:
775.0
60*08.018*92.0
18*92.0
).1(.
.
=
+
=
−+
=
AfNf
Nf
f
MxMx
Mx
x
(kg nước/ kg hỗn hợp)

412.0

60*3.018*7.0
18*7.0
).1(.
.
=
+
=
−+
=
AwNw
Nw
W
MxMx
Mx
x
(kg nước/ kg hỗn hợp)
9835.0
60*005.018*995.0
18*995.0
).1(.
.
=
+
=
−+
=
ApNp
Np
p
MxMx

Mx
x
(kg nước/ kg hỗn hợp)
Tra bảng 1.249, trang 310, [5]
⇒ Khối lượng riêng của nước ở 25
o
C: ρ
N
= 996,5 (kg/m
3
)
Tra bảng 1.2, trang 9, [5]
⇒ Khối lượng riêng của axit axetic ở 25
o
C: ρ
AL
= 1042,75 (kg/m
3
)
Áp dụng trong công thức (1.2), trang 5, [5]:
6,1039
225.0
6,995
775,01
+=+=
A
FA
N
FN
hh

xx
ρρρ
⇒ ρ
hh
= 1005.17 (kg/m
3
)
Năng suất nhập liệu : G
F
= 3.5 (m
3
/h)
×
1005.17(kg/m
3
) = 3518.095 (kg/h)
[Type text] Page 9
Đồ án môn học
Đun gián tiếp :



+=
+=
WWppFF
WpF
xGxGxG
GGG
⇔
Fp

W
WF
p
Wp
F
xx
G
xx
G
xx
G
−
=
−
=
−
Nên : G
p
=
59.2234095.3518
412.09835.0
412.0775.0
=
−
−
=
−
−
F
Wp

WF
G
xx
xx
(kg/h)
Và: G
W
= G
F
– G
p
= 3518.095 – 2234.59 = 1283.505 (kg/h)
III. XÁC ĐỊNH TỈ SỐ HOÀN LƯU LÀM VIỆC .
1 .Suất lượng mol tương đối của dòng nhập liệu:
7,092,0
7,0995,0
−
−
=
−
−
=
WF
Wp
xx
xx
f
= 1.341
2. Tỉ số hoàn lưu làm việc:
Tỉ số hoàn lưu tối thiểu:

92,0945,0
945,0995,0
*
*
min
−
−
=
−
−
=
FF
Fp
xy
yx
R
= 2
Tỉ số hoàn lưu làm việc: R = 1,3R
min
+ 0,3 = 2.9
[Type text] Page 10
Đồ án môn học
3. Xác định suất lượng mol các dòng pha:
Coi lưu lượng mol của các dòng pha đi trong mỗi đoạn tháp (chưng và luyện)
là không đổi.
1. Tại đỉnh tháp:
Vì tại đỉnh tháp nồng độ phần mol của nước trong pha lỏng và pha hơi
bằng nhau.
⇒ Khối lượng của pha hơi và pha lỏng tại đỉnh tháp là bằng nhau:
M

HP
= M
LP
= x
P
. M
N
+ (1 – x
P
). M
A

= 0,995. 18 + (1 – 0,995). 60 = 18.21 (kg/mol)
Suất lượng khối lượng của dòng hơi tại đỉnh tháp:
G
HP
= (R +1)G
P
= (2.9 + 1). 2234.59 = 8714.901 (kg/h)
Suất lượng mol của dòng hơi tại đỉnh tháp:
n
HP
=
21,18
901.8714
=
HP
HP
M
G

= 478.57 (kmol/h)
Suất lượng khối lượng của dòng hoàn lưu:
G
L
= RG
D
= 2.9 *2234.59 = 6480.311 (kg/h)
Suất lượng mol của dòng hoàn lưu:
L =
21,18
311.6480
=
LP
L
M
G
= 355.86 (kmol/h)
[Type text] Page 11
n
HP
L
n
HP
L
Đồ án môn học
2. Tại mâm nhập liệu:
Khối lượng mol của dòng nhập liệu:
M
F
= x

F
. M
N
+ (1 – x
F
). M
A
= 0,92.18 + (1 – 0.92).60 = 21.36 (kg/kmol)
Suất lượng mol của dòng nhập liệu:
F =
36.21
095.3518
=
F
F
M
G
= 164.7 (kmol/h)
Và: n
LF
= L = 355.86 (kmol/h)
n’
LF
= L + F = 355.86 + 164.7 = 520.56 (kmol/h)
n
HF
= n
HP
= 478.57 (kmol/h)
3. Tại đáy tháp:

Vì tại đáy tháp nồng độ phần mol của nước trong pha lỏng và pha hơi bằng
nhau.
⇒ Khối lượng của pha hơi và pha lỏng tại đáy tháp là bằng nhau:
M
HW
= M
LW
= x
W
. M
N
+ (1 – x
W
). M
A

[Type text] Page 12
n
HF
n
LF
F
n
HF
n’
LF
n
HW
n
LW

W
Đồ án môn học
= 0,7. 18 + (1 – 0,7). 60 = 30.6 (kg/mol)
Suất lượng mol của dòng sản phẩm đáy:
W =
6.30
505.1283
=
LW
W
M
G
= 41.94 (kmol/h)
Và: n
LW
= n’
LF
= 520.56(kmol/h)
n
HW
= n
HF
= n
HP
=478.57 (kmol/h)
[Type text] Page 13
Đồ án môn học
IV. PH ƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LÀM VIỆC SỐ MÂM LÝ THUYẾT:
1.Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn luyện:
19.2

995.0
19.2
9.2
11 +
+
+
=
+
+
+
= x
R
x
x
R
R
y
P
=0.7436x+ 0.0612
2. Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng:
7.0.
19.2
1341.1
19.2
341.19.2
1
1
1 +
−
+

+
+
=
+
−
+
+
+
xx
R
f
x
R
fR
w
=1.087x+0.0612.
3. Số mâm lý thuyết:
Đồ thị xác định số mâm lý thuyết
Số mâm lý thuyết là N
lt
=27 mâm, 20 mâm cất, 6 mâm chưng, 1 mâm nhập
liệu.
V.XÁC ĐỊ NH S Ố MÂM TH Ự C T Ế :
Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình:
tb
lt
tt
N
N
η

=
Trong đó:ƞ
tb
hiệu suất trung bình của đĩa, là một hàm số của độ bay hơi tương
đối và độ nhớt của hỗ hợp lỏng: ƞ =f(α,µ).
N
lt
: số mâm lý thuyết.
N
tt
: số mâm thực tế.
+ xác định hiệu suất trung bình của tháp ƞ
tb
:
- Độ bay hơi tương đối của cấu tử dễ bay hơi:
x
x
y
y −
−
=
1
1
*
*
α
Với : x:phần mol của nước trong pha lỏng.
Y
*
là phần mol của nước trong pha hơi cân bằng với pha lỏng.

Lgµ
hh
=x
1
lgµ
1
+x
2
lgµ
2
(tài liệu [4 tập 1, trang 4])
[Type text] Page 14
Đồ án môn học
Tại vị trí nhập liệu:
X
F
=0.92 ta tra đồ thị cân bằng của hệ: y
*
f
= 0945
T
F
=100.52
o
C
+
494.1
92.0
92.01
.

945.01
945.0
1
1
*
*
=
−
−
=
−
−
=
f
f
f
f
f
x
x
y
y
α
+t
F
=100.52
o
C,µ
a
=0.46.10

-3
Ns/m
2
; µ
n
= 0.284.10
-3
Ns/m
2
µ
f
= 0.443.10
-3
(Ns/m
2
)=0.443 (cP)
suy ra :α
f
. µ
f
=1.494*0.443 =0.662
tra tài liệu tham khảo[tập 2, trang171]:µ
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
+ α
w
=
662.1
7.0
7.01
795.01
795.01
1
*
*
=
−
−
=
−
−
w
w
w
w
x
x
y
y

+ và t
w
=102.1
o
C,µ
a
=0.46.10
-3
Ns/m
2
; µ
n
=0.284.10
-3
Ns/m
2
µ
w
= 0.443.10
-3
Ns/m
2
=0.443 (cP)
suy ra α
w
.µ
w
=1.662*0.443= 0.736
tra tài liệu tham khảo tìm được ƞ
w

=0.53
tại vị trí mâm đỉnh:
x
P
=0.995 tra đồ thị tìm được y
*
P
= 0.997
t
P
= 100.22
o
C
67.1
995.0
995.01
.
997.01
997.0
1
1
*
*
=
−
−
=
−
−
=

p
p
p
p
p
x
x
y
y
α
t
P
= 100.22
o
C ,µ
a
=0.46.10
-3
Ns/m
2
; µ
n
=0.284.10
-3
Ns/m
2
µ
P
= 0.443.10
-3

Ns/m
2
=0.443 (cP)
suy ra α
P
.µ
P
=1.67*0.443=0.74
tra tài liệu được: ƞ
P
=0.53
[Type text] Page 15
Đồ án môn học
suy ra hiệu suất trung bình của tháp:
537.0
3
55.053.053.0
3
=
++
=
++
=
PwF
tb
ηηη
η
Số mâm thực tế của tháp:
N
tt

=
28.50
573.0
27
=
mâm,
Vậy chọn N
tt
= 50 mâm 37 mâm cất, 12 mâm chưng , 1 mâm nhập liệu.
[Type text] Page 16
Đồ án môn học
CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ
THÁP CHƯNG CẤT
I. ĐƯỜNG KÍNH THÁP: (Dt)
Dt =
tbytb
tb
tb
tb
gV
).(
0188.0
.3600.
*4
ωρωπ
=
(m)
V
tb
: lượng hơi trung bình đi trong tháp (m

3
/h).
Ω
tb
: tốc độ hơi đi trong tháp (m/s).
g
tb
: lượng hơi trung bình đi trong tháp (Kg/h).
Lượng hơi đi trong đoạn chưng và đoạn luyện 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:
g
tb
=
2
1
gg
d
+
(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
= P.(R+1) = 122.76(2.9+1)= 748.764 (kmol/h) = 8678.07
(kg/h)
( vì M
thP
= 18.y
p
+ (1- y
P
).60 = 18.126 (kg/kmol).
Xác định g
1
:từ hệ phương trình:
g
1
= G
1
+ P
g
1
.y
1
= G
1
.x
1
+ P.x
p
g
1

.r
1
=g
P
.r
P
với G
1
: lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn cất.
r
1
: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn cất
r
d
: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi ra ở đỉnh tháp.
* Tính r
1
: t
1
= t
F
=100.52
o
C (tài liệu 4 tập 1) ta có :
ẩn nhiệt hóa hơi của nước : r
N1
= 40512.96 (KJ/kmol)
[Type text] Page 17
Đồ án môn học
ẩn nhiệt hóa 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
p
: t
P
= 100.22
o
C (tra tài liệu tham khảo 4 tap 1)ta có:
ẩn nhiệt hóa hơi của nước : r
Np
= 40512.96 (KJ/kmol)
ẩn nhiệt hóa hơi của acid : r
aP
= 24195.24

(KJ/kmol)

suy ra : r
p
= r
Np
.y
P
+ (1- y
p
).r
ap
= 40512.96*0.997+ (1-0.997)*24195.24
=40464 (KJ/kmol)
*x
1
= x
F
=0.92
Giải hệ phương trình ta được:
G
1
= 392,97(Kmol/h)
y
1
=0,819 (phan mol)
g
1
= 515,73 (kmol/h) =10366,17 (kg/h)
vậy : g
tb
=

)/(12,9522
2
07,867817,10366
hkg=
+
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
ρ
ρ
ω
.05,0=
Với : ρ
xtb
: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng(Kg/m
3
)
Ρ
ytb
: khối lượng riêng trung bình của pha hơi (Kg/m
3
).
+ xác định ρ
ytb:
)273.(4,22
273].60).1(18.[
+

−+
=
tb
tbtb
ytb
t
yy
ρ
Với :nồng độ phân mol trung bình: y
tb
=
908,0
2
997,0819,0
2
1
=
+
=
+
P
yy
[Type text] Page 18
Đồ án môn học
+ nhiệt độ trung bình đoạn cất : t
tb
=
37,100
2
22,10052,100

2
=
+
=
+
PF
tt
o
C
Suy ra ρ
ytb
=0,7136 (kg/m
3
).
+xác định ρ
xtb
:
Nồng độ phân mol trung bình: x
tb
=
4577,0
2
995,092,0
2
=
+
=
+
PF
xx

Suy ra
=
−+
=
60).1(.18
.18
tbtb
tb
tb
xx
x
x
t
tb
= 100,37
o
C, tra tài liệu tham khảo[(tập 1 ) – trang 9], ta có:
ρ
a
= 958 kg/m
3
,ρ
n
= 958 kg/m
3
1/ρ
tb
=
an
xx

ρρ
−
+
1
Suy ra ρ
xtb
= 958 (kg/m
3
)
Suy ra :ω
h
=0,05.
832,1
7136,0
958
=
Để tránh tạo bọt ta chọn tốc độ hơi trung bình đi trong tháp:
ω
h
= 0,8.ω
gh
= 0,8. 1,832= 1,559 (m/s)
vậy: đường kính đoạn cất:
D
cất
= 0,0188.
)(79,1
7136,0.4656,1
12,9522
m=

2. Đường kính đoạn chưng:
a. lượng hơi trung bình đi trong tháp:
g’
tb
=
2
''
1
gg
n
+
(kg/h)
g’
n
: lượng hơi ra khỏi đoạn chưng (kg/ h).
g’
1
: lượng hơi đi vào đoạn chưng (kg/h).
[Type text] Page 19
Đồ án môn học
+xác định g’
n
: g’
n
=g
1
= 515,73( kmol/h) = 10366,17 (kg/h)
+xác định g’
1
: từ hệ phương trình:

G’
1
= g’
1
+W
G’
1
.x’
1
= g’
1.
y
w
+W.x
w
g’
1
.r’
1
=g’
n
.r’
n
=g
1
.r
1
với G’
1
: lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn chưng.

r’
1
: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng.
* Tính r’
1
: x
w
=0,7 tr 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 [tập 1] ta có:
ẩn nhiệt hóa hơi của nước: r’
n1
= 40512,96 (KJ/Kmol).
ẩn nhiệt hóa hơi của acid: r’
a1
= 24195,24 (KJ/Kmol).

Suy ra: r’
1
= r’
n1
.y
w
+(1- y
w
).r’
a1
= 37167,83(KJ/Kmol)
*tính r
1
: r
1
= r
n1
.y
1
+(1-y
1
).r
a1
=24195,24 + 16317,72.y
1
=39517,579
(KJ/kmol)
*W = 59,819 (kmol/h)
Giải hệ ta được:
x’

1
= 0,955
G’
1
= 590,27(Kmol/h)
g’
1
= 548,33(kmol/h) =14750,19(kg/h)
vậy g’
tb
=
18,12558
2
17,1036619,14750
=
+
(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:
ω’
gh
= 0,05.
ytb
xtb
'
'
ρ
ρ
với : ρ’

xtb
: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng( Kg/m
3
)
[Type text] Page 20
Đồ án môn học
ρ’
ytb
: khối lượng riêng trung bình của pha hơi (kg/m
3
)
xác định ρ’
ytb
:
)273'.(4,22
273].60).'1(18.'[
'
+
−+
=
tb
tbtb
ytb
t
yy
ρ
Với nồng độ phân mol trung bình
807,0
2
795,0819,0

2
' =
+
=
+
=
wF
tb
yy
y
+ Nhiệt độ trung bình đoạn chưng : t’
tb
=
31,101
2
1,10252,100
2
=
+
=
+
wF
tt
o
C
Suy ra ρ’
tb
= 0,85 (Kg/m
3
)

Xác định ρ’
xtb
:
Nồng độ phân mol trung bình : x’
tb
=
81,0
2
7,092,0
2
=
+
=
+
wF
xx
Suy ra :
5612,0
60).'1('.18
'.18
' =
−+
=
tbtb
tb
tb
xx
x
x
t’

tb
= 101.31
o
C , tra tài liệu tham khảo [tập 1, trang 9], ta có:
Khối lượng riêng của nước: ρ’
n
= 958(kg/m
3
)
Khối lượng riêng của acid: ρ’
a
=958(kg/m
3
)
Suy ra: ρ
xtb
=
958
'
'1
'
'
=









−
+
n
tb
a
tb
xx
ρρ
(kg/m
3
)
Suy ra ω’
gh
=0,05.
678,1
85,0
958
=
(m/s)
Để tránh tạo bọt ta chọn tốc độ hơi trung bình đi trong tháp:
ω’
h
= 0,8.ω’
gh
=0,8.1,678=1,3424 (m/s)
Vậy đường kính đoạn cất:
[Type text] Page 21
Đồ án môn học
D

c
= 0,0188.
97,1
3424,1.85,0
18,12558
=
(m).
Kết luận: hai đường kính của đoạn chưng va đoạn luyện không chêh lệch
nhau quá lớn nên ta chọn đường kính của toàn tháp là: D
t
=1,8(m)
Khi đó tốc độ làm việc thực ở:
+ Phần cất: ω
lv
=
45,1
7136,0.8,1
12,9522.0188,0
2
2
=
(m/s)
+ Phần chưng: ω’
lv
=
61,1
85,0.8,1
18,12558.0188,0
2
2

=
(m)
II. MÂM LỖ - TRỞ LỰC CỦA MÂM:
1. Cấu tạo mâm lỗ:
Chọn tháp mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền với:
 Tiết diện tự do bằng 10% diện tích mâm.
 Đường kính lỗ: d
lỗ
= 8mm = 0,008 (m).
 Chiều cao gờ chảy tràn: h
gờ
= 50mm = 0,05 (m).
 Diện tích của 2 bán nguyệt bằng 20% diện tích mâm.
 Khoảng cách giữa 2 tâm lỗ bằng 3 lần đường kính lỗ(bố trí theo tam
giác đều)
 Mâm được làm bằng thép không gỉ X18H10T.
Số lỗ trên 1 mâm:
N =
2
2
008,0
8,1
08,008,0
%8







=








=
loãloã
maâm
dS
S
φ
= 5062,5 lỗ
Gọi a là số hình lục giác.
Áp dụng công thức (V.139), trang 48, [6]: N = 3a(a+1) +1
Giải phương trình bậc 2 ⇒ a = 40 ⇒ N = 4921 (lỗ)
Số lỗ trên đường chéo: b = 2a + 1 = 81 (lỗ)
A .độ giảm áp qua mâm khô.:
[Type text] Page 22
Đồ án môn học
Độ giảm áp của pha khi 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
C
u
g
C
v
ρ
ρ
ρ
ρ
51
2
.
2
2
2
2








=

















(mm chất lỏng)
+ Với +u
0
: vận tốc pha hơi qua lỗ (m/s)
+ ρ
G
: khối lượng riêng của pha hơi (Kg/m
3
) mâm với đường kính lỗ.
Ρ
L
: khối lượng riêng của pha lỏng (Kg/m
3
)
+ C

o
: hệ số orfice, phụ thuộc vào tỉ số tổng diện tích lỗ với diện tích
mâm và tỉ số giữa bề dày mâm với đường kính lỗ.
Ta có :
1,0=
∑
mâm
lo
S
S
và
6,0=
lo
mâm
d
δ
, tra tài liệu tham khảo suy ra: C
o
=0,7.
+ Đối với mâm ở phần cất:
Vận tốc hơi qua lỗ: u
o
=
1,0
45,1
%10
=
lv
ω
= 14,5 (m/s)

Khối lượng riêng của pha hơi :ρ
G
=ρ
ytb
=0,7136(kg/m
3
)
Khối lượng riêng của pha lỏng : ρ
L
= ρ
xtb
=958(kg/m
3
)
Suy ra độ giảm áp qua mâm khô ở phần cất :
3,16
958
7136,0
.
7,0
5,14
.51
2
2
=









=
k
h
(m/s)
+ Đối với mâm ở phần chưng:
Vận tốc pha hơi qua lỗ: u’
o
=
1,0
61,1
%10
'
=
lv
ω
= 16,1 (m/s)
Khối lượng riêng pha hơi:ρ’
G
=ρ’
ytb
=0,85(kg/m
3
)
Khối lượng riêng pha lỏng : ρ’
L
=ρ’
xtb

= 958 (kg/m)
Suy ra độ giảm áp qua mâm khô ở phần chưng :
[Type text] Page 23
Đồ án môn học
94,23
958
85,0
.
7,0
1,16
.51'
2
2
=








=
k
h
(mm.chất lỏng)
B. độ giảm áp đo chiều cao mức chất lỏng trên mâm:
Phương pháp đơn giản để ước tính độ giảm áp của pha hoi qua mâm do
lớp chất lỏng trên mâm h
1

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
1
= 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:
h
ow
= 43,4.
3
2









w
L
L
q
(mm. Chất lỏng)
với
+ q
L :
Lưu lượng của chất lỏng( m
3
/phut)
+ 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.
Dung phương pháp lặp ta được: n
o
= 93
o
12’22”
Suy ra: L
w
= 1,8.sinn(n
o
/2)=1,3 (m)
* Xác định q
L
:
[Type text] Page 24
Đồ án môn học
+ Phần cất :
)/(122,0
985.60
785,19.76,122.9,2
.60

3

phm
MPR
q
xtb
tb
L
===
ρ
Với :M
tb
= 0,9575.18+(1-0,9575)=19,785
Suy ra : h
ow
= 43,4.
3
2
3,1
122,0






= 8,962(mm)
Vậy : độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm ở phần cất là:
h
1
= 0,6.(50+8,962)= 35,37(mm.chất lỏng)
+ Phần chưng: q’

L
=
)/(235,0
958.60
98,25.704,520
'.60
) (
3
phm
MFRP
xtb
tb
==
+
ρ
Với : M
tb
= 0,81.18+(1-0,81).60=25,98
Suy ra : h’
ow
= 43,4.
)(87,13
3,1
235,0
3
2
mm=







Vậy : độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm ở phần chưng:
h’
1
=0,6.(50+13,87)=38,322(mm. chất lỏng)
C. độ giảm áp do suc căng bề mặt:
Độ giảm áp do sức căng bề mặt được xác định theo biểu thức:
(,.54,625
1
d
h
L
R
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: ρ
L
=ρ
xtb

= 958 (kg/m
3
).
+ t
tb
= 100,37
o
C, tra tài liệu tham khảo [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 chất lỏng ở phần chưng:
[Type text] Page 25