thiết kế hệ thống chưng cất nước – axit axetic có năng suất là 3000 kg trên giờ

16
ĐAMH: Quá trình thiết bị GVHD: Nguyễn Thanh Thiện
LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay cùng với sự phát triển vượt bậc của các nền công nghiệp thế
giới và nước nhà, các ngành công nghiệp luôn cần rất nhiều hóa chất có độ
tinh khiết cao. Vì thế, các phương pháp nâng cao độ tinh khiết luôn luôn được
cải tiến và đổi mới để ngày càng hoàn thiện hơn.
Việc sử dụng phương pháp nào cho phù hợp nhất còn phụ thuộc nhiều
vào các yếu tố khá nhau, nhưng mục đích cuối cùng là làm sao ta thu đươc
sản phẩm mình mong muốn và có tính hiệu quả kinh tế nhất. Từ lý thuyết
môn quá trình thiết bị giúp chúng em có được sự tính toán để thu đươc hiệu
suất tối ưu nhất, nhưng đó chỉ là trên lý thuyết còn thục tế thì khác. Có thể
chất ta sử dụng trong phản ứng sẽ tạo ra hiệu suất cao nhất nhưng giá thành
trên thị trường thi quá đắt không có tính kinh tế, vì thế phương pháp này sẽ
không được khả thi. Cho nên đồ án môn học Quá trình và Thiết bị là một môn
học giúp cho sinh viên áp dụng những lý thuyết mình đã học vào thưc tế, là
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 tốn cụ
thể về: quy trình công nghệ, 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 3000 kg/h, nồng độ nhập liệu là 30% khối lượng, nồng
độ sản phẩm đỉnh là 95,5% khối lượng, nồng độ sản phẩm đáy là 0,5% khối
lượng. Sử dụng hơi đốt có áp suất 2,5at.
.
16
ĐAMH: Quá trình thiết bị GVHD: Nguyễn Thanh Thiện
Chương 1 :
TỔNG QUAN

I. LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT.
1. Khái niệm.
- Là quá trình dung nhiệt để tách các cấu tử trong 1 hỗn hợp lỏng, khí –
lỏng
thành các cấu tử riêng biệt
- Nguyên tắc: dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử ở cùng một
nhiệt
độ.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:
+ Đỉnh: cấu tử có độ bay hơi lớn – nhiệt độ sôi thấp
+ Đáy: cấu tử có độ bay hơi kém – nhiệt độ sôi cao
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:
.
16
ĐAMH: Quá trình thiết bị GVHD: Nguyễn Thanh Thiện

- 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 đa cấu tử.
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 dung là tháp chêm và tháp mâm.
♣ 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 xuyên lỗ: trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh
+) Ưu điểm : Chế tạo đơn giản, vệ sinh dễ dàng, trở lực thấp hơn tháp chóp,
ít tốn kim loại hơn tháp chóp.
+) Nhược điểm : Yêu cầu lắp đặt cao, mâm lắp phải thẳng, đối với tháp có
đường kính quá lớn ( >2,4m ) ít dùng tháp mâm xuyên lỗ vì khi đó chất lỏng
phân phối không đều trên mâm.
- Tháp mâm chóp : trên mâm bố trí có chóp dạng tròn, xupap, chữ s…

+) Ưu điểm : Hiệu suất truyền khối cao, ổn định, ít tiêu hao năng lượng
hơn nên có số mâm ít hơn.
.
16
ĐAMH: Quá trình thiết bị GVHD: Nguyễn Thanh Thiện
+) Nhược điểm : Chế tạo phức tạp, trở lực lớn.
♣ 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.
+) Ưu điểm : Chế tạo đơn giản, trở lực thấp.
+) Nhược điểm: Hiệu suất thấp, kém ổn định do sự phân bố các pha theo
tiết diện tháp không đều, sử dụng tháp chêm không cho phép ta kiểm soát quá
trình chưng cất theo không gian tháp trong khi đó ở tháp mâm thì quá trình
thể hiện qua từng mâm một cách rõ ràng, tháp chêm khó chế tạo được kích
thước lớn ở quy mô công nghiệp.
II . GIỚI THIỆU SƠ BỘ NGUYÊN LIỆU :
Nguyên liệu là hỗn hợp nước – acid acetic.
1 . Nước:
Trong điều kiện bình thường: nước là chất lỏng không màu , không mùi ,
không vị nhưng khối nước dày sẽ có màu xanh nhat.
Khi hóa rắn nó có thể tồn tại ở dạng 5 dạng tinh thể khác nhau.
Tính chất vật lý:
 Khối lượng phân tử : 18 g / mol
 Khối lượng riêng d
4
0
c : 1 g / ml
 Nhiêt 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 hòa tan nhiều chất và là
dung môi rất quan trọng trong kĩ thuật hóa học.
2 . Acid acetic:
Acid acetic: là một loại acid quan trọng nhất trong các loại acd hữu cơ.
.
16
ĐAMH: Quá trình thiết bị GVHD: Nguyễn Thanh Thiện
 Là một chất lỏng không màu, có mùi sốc đặc trưng , trọng lượng riêng
1,0497 (ở 20
o
C)
 Khi hạ nhiệt độ xuống một ít đã đông đặc thành một khối tinh thể có
T
o
nc
= 16,635 – 0,002
o
, T
o
sôi = 118
o
C
 Tan trong rượu và ete theo bất kì tỉ lệ nào.
 Là một acid 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 acid loãng, nó đề kháng tốt đối với acid 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.
3 . Hỗn hợp N ư ớc-Acid acetic:
Ta có bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp
Nước-Acid acetic 760 mmHg:
CHƯƠNG 2 :
THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
.
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.
1 115.4
113.
8
110.
1
107.

5
105.
8
104.
4
103.
3
102.
1
101.
3
100.
6 100
16
ĐAMH: Quá trình thiết bị GVHD: Nguyễn Thanh Thiện
Chuù thích caùc kí hieäu trong qui trình :
1. Bồn chứa nguyên liệu .
2. Bơm.
3. Bồn cao vị .
4. Thiết bị trao đổi nhiêt với sản phẩm đỉnh
5. Thiết bị đun sôi dòng nhập liệu
6. Bẩy hơi .
7. Lưu lượng kế .
8. Nhiệt kế.
9. Tháp chưng cất .
10.Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh .
11.Áp kế .
12.Thiết bị đun sôi đáy tháp .
13.Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy .
14.Bồn chứa sản phẩm đáy .

15.Bồn chứa sản phẩm đỉnh.
* Thuyết minh qui trình công nghệ:
Hỗn hợp Nước – Axit axetic có nồng độ nước 30% ( theo phần khối
lượng ), 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 với sản
phẩm đỉnh (4). Sau đó , hỗn hợp được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi trong thiết
bị đun sôi dòng nhập liệu (5), rồi đưa vào thấp chưng cất (9) 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 (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 axit axetic sẽ ngưng tụ lại, cuối
.
16
ĐAMH: Quá trình thiết bị GVHD: Nguyễn Thanh Thiện
cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử nước chiếm nhiều nhất (
có nồng độ 95,5% phần khối lượng). Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ (10)
và được ngưng tụ hoàn toàn. Một phần chất lỏng ngưng tụ được trao đổi
nhiệt với dòng nhập liệu trong thiết bị (4) ( sau khi qua bồn cao vị). Phần
còn lại của chất lỏng ngưng tụ được hoàn lưu cề tháp ở đĩa trên cùng. Một
phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp được bốc hơi, còn lại cấu tử có nhiệt đọ
sôi cao trong chất lỏng ngày càng tăng. Cuối cùng, ở đáy tháp ta thu được
hỗn hợp chất lỏng hầu hết là các cấu tử khó bay hơi ( axit axetic ). Hỗn
hợp lỏng ở đáy có nồng đọ nước là 0,5% phần khối lượng, còn lại là axit
axetic. Dung dịc lỏng ở 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 phần nồi đun đi qua thiết bị làm nguội sản
phẩm đáy (13), được làm nguội đến 35
0
C, rồi được đưa qua bồn chứa sản
phẩm đáy (14).Hệ thống làmviệc liên tục cho sản phẩm đỉnh là nước, sau
khi trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu có nhiệt độ 35
0
C và được thải bỏ. Sản
phẩm đáy là axit axetic được giữ lại.
CHƯƠNG 3 :
CÂN BẰNG VẬT CHẤT .
I . CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU :
Chọn loại tháp là tháp mâm xuyên lỗ.
Khi chưng luyện dung dịch acid axetic thì cấu tử dễ bay hơi là nước.
Hỗn hợp:



=⇒
=⇒
)/(18:Nuoc
)/(60:
2
3
molgMOH
molgMCOOHCHaxeticAxit
N
A
• Năng suất nhập liệu: G

F
= 3000 (m
3
/h).
• Nồng độ nhập liệu:
F
x
= 30% (kl nước/kl hỗn hợp).
• Nồng độ sản phẩm đỉnh :
D
x
= 95,5%(kl nước/kl hỗn hợp).
• Nồng độ sản phẩm đáy:
W
x
= 0,5 % (kl nước/kl hỗn hợp).
• Khối lượng phân tử của nước và acid axetic: M
N
=18, M
A
=60.
• Áp suất hơi đốt Ph = 2,5 at.
.
16
ĐAMH: Quá trình thiết bị GVHD: Nguyễn Thanh Thiện
• Chọn:
 Nhiệt độ nhập liệu: t
F
= 28
o

C.
 Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi làm nguội: t
W
=35
o
C.
 Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội: t
D
=35
o
C.
 Trạng thái nhập liệu: 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.
II . XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG SẢN PHẨM ĐỈNH VÀ SẢN PHẨM ĐÁY :
+) Phương trình cân bằng vật chất cho toàn bộ tháp chưng cất :

WDF
GGG +=

DF
GGGw −=

. (1)
+) Cho cấu tử dễ bay hơi là:

WWDDFF
xGxGxG +=
(2)
Thế (1) vào (2) ta có :
Nên : G
D
=
579,9313000
5,05,95
5,030
=
−
−
=
−
−
F
WD
WF
G
xx
xx
(kg/h).
Và: G
W
= G
F

– G
D
= 3000 – 931,579 = 2068,420 (kg/h).
III. XÁC ĐỊNH TỈ SỐ HOÀN LƯU LÀM VIỆC.
1.Nồng độ phần mol:
=
−
+
=
−
+
=
60
3,01
18
3,0
18
3,0
M
x1
M
x
M
x
x
A
F
N
F
N

F
F
0,588 (mol nước/ mol hỗn hợp).
.
16
ĐAMH: Quá trình thiết bị GVHD: Nguyễn Thanh Thiện
=
−
+
=
−
+
=
60
005,01
18
005,0
18
005,0
M
x1
M
x
M
x
x
A
W
N
W

N
W
W
0,016 (mol nước/ mol hỗn hơp).

=
−
+
=
−
+
=
60
955,01
18
955,0
18
955,0
M
x1
M
x
M
x
x
A
D
N
D
N

D
D
0,986 (mol nước/ mol hỗn hợp).
2. Suất lượng mol tương đối của dòng nhập liệu:
016,0588,0
016,0986,0
−
−
=
−
−
=
WF
WD
xx
xx
f
= 1,696.
3. Tỉ số hoàn lưu làm việc :

Dựa vào hình ⇒ y
F
*
= 0,7.
• Tỉ số hoàn lưu tối thiểu :
.
16
ĐAMH: Quá trình thiết bị GVHD: Nguyễn Thanh Thiện
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 .

588,07,0
7,0986,0
*
*
min
−
−
=
−
−
=
FF
FD
xy
yx
R
= 2,554 .
• Tỉ số hoàn lưu thích hợp:
R = 1,3R
min
+ 0,3 = 3,620.
IV . PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LÀM VIỆC, SỐ MÂM LÝ THUYẾT:
1 . Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất :
y =
1
.
1
.

+
+
+ R
x
x
R
R
D
=
162,3
986,0
.
162,3
62,3
+
+
+
x

=0,784 .x + 0,213.
2 . Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng :
y =
W
x
R
f
x
R
fR
.

1
1
.
1 +
−
+
+
+
=
016,0.
162,3
1696,1
.
162,3
696,162,3
+
−
+
+
+
x
= 1,15 .x + 0,0024
V. XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG MOL CỦA CÁC DÒNG PHA:
Coi lưu lượng mol của dòng pha đi trong mỗi đoạn tháp ( chưng và luyện )
là không đổi.
1. Tại đỉnh tháp.
.
Ln
HD
16

ĐAMH: Quá trình thiết bị GVHD: Nguyễn Thanh Thiện
Vì tại đỉnh tháp nồng độ phần mol của nước trong pha lỏng và pha hơi bằng
nhau.
⇒ Khối lượng pha hơi và pha lỏng tại đỉnh tháp là bằng nhau :
M
HD
= M
LD
= x
D
.M
N
+(1– x
D
).M
A
= 0,986.18+(1–0,986).60 = 18,585 (kg/mol).
Suất lượng khối lượng của hơi tại đỉnh tháp :
G
HD
= (R +1)G
D
= (3,62 + 1). 931,58 = 4303,8996 (kg/h).
Suất lượng mol của hơi tại đỉnh tháp :
n
HD
=
585,18
4303,8996
=

HD
HD
M
G
= 231,579 (kmol/h).
Suất lượng khối lượng của dòng hoàn lưu :
G
L
= RG
D
= 3,62. 931,579 = 3372,319 (kg/h).
Suất lượng mol của dòng hoàn lưu :
L =
585,18
319,3372
=
LD
L
M
G
= 181,453 (kmol/h).
2. Tại mâm nhập liệu.
Khối lượng mol của dòng nhập liệu:
M
F
= x
F
. M
N
+(1 – x

F
).M
A
= 0,588. 18 + (1–0,588). 60 = 35,294 (kg/kmol).
.
Ln
HD
n
LF
n’
LF
n
HF
n
HF
F
16
ĐAMH: Quá trình thiết bị GVHD: Nguyễn Thanh Thiện
Suất lượng mol của dòng nhập liệu:
F =
294,35
3000
M
G
F
F
=
= 256,885 (kmol/h).
Và: n
LF

= L = 171,885 (kmol/h).
n’
LF
= L + F = 181,453 + 256,885 = 438,338 (kmol/h).
n
HF
= n
HD
= 231,579 (kmol/h).
3. Tại đáy tháp.
Vì tại đỉnh tháp nồng độ phần mol của nước trong pha lỏng và pha hơi bằng
nhau.
⇒ Khối lượng pha hơi và pha lỏng tại đáy tháp là bằng nhau :
M
HW
= M
LW
= x
W
.M
N
+(1–x
W
).M
A
= 0,016. 18 +(1–0,016).60 = 59,308
(kg/mol).
Suất lượng mol của dòng sản phẩm đáy:
W =
308,59

421,2086
M
G
LW
W
=
= 34,876 (kmol/h).
Và: n
LW
= n’
LF
= 438,338 (kmol/h).
n
HW
= n
HF
= n
HD
= 231,579 (kmol/h).
.
n
LW
W
n
HW
16
AMH: Quỏ trỡnh thit b GVHD: Nguyn Thanh Thin
Chng 4 :
TNH TON C KH
I. NG KNH THP.

1. Phn luyn.
I.1 Khi lng riờng trung bỡnh ca pha lng trong phn luyn :

2
588,0986,0
2
xx
x
FD
L
+
=
+
=
= 0,787 (mol nc/ mol hn hp).
Da hỡnh 2 Nhit trung bỡnh ca pha lng trong phn luyn :
T
LL
=101,4(
o
C).
Nng phn mol khi lng trung bỡnh ca pha lng trong phn luyn:
2
3,0955,0
2
xx
x
FD
L
+

=
+
=
= 0,628 (mol nc/ mol hn hp).
Tra trang 310,[5] Khi lng riờng ca nc 101,4
o
C:
NL
= 957,364
(kg/m
3
)
Tra trang 9, [5] Khi lng riờng ca axetic 101,4
o
C:
AL
= 955,480
(kg/m
3
)
Ap duùng trong coõng thửực (1.2), trang 5, [5]
001,0
480,955
628,01
364,957
628,0
x1x
1
AL
L

NL
L
LL
=

+=


+

=


LL
= 956,661 (kg/m
3
)
.
16
ĐAMH: Quá trình thiết bị GVHD: Nguyễn Thanh Thiện
1.2 Khối lượng riêng trung bình của pha hơi trong phần luyện:
Nồng độ trung bình của pha hơi trong phần luyện.
y
L
= 0,784 .x + 0,213 = 0,83.
Dựa vào hình 2 ⇒ Nhiệt độ trung bình của pha hơi trong phần luyện:
T
HL
= 101,6 (
o

C).
Khối lương mol trung bình của pha hơi trong phần luyện :
M
HL
= y
L
. M
N
+ (1 – y
L
). M
A
= 0,83. 18 + (1 – 0,83). 60 = 25,140
(kg/kmol).
Khối lương riêng trung bình của pha hơi trong phần luyện :
)2734,101(
273
4,22
14,251
+×
×
==
HL
HL
HL
RT
PM
ρ
=0,818 (kg/m
3

).
.
16
ĐAMH: Quá trình thiết bị GVHD: Nguyễn Thanh Thiện
Hình 2
1.3 Tính vận tốc của pha hơi trong phần luyện:
Tra bảng IX.4a, trang 169, [6] ⇒ Chọn khoảng cách mâm là: ∆h = 0,4
(m).
Tra đồ thị 6.2, trang 256, [4] ⇒ C = 0,057.
Vận tốc của pha hơi trong phần luyện:

0,818
661,956
057,0==
HL
LL
L
CV
ρ
ρ
= 1,949 (m/s).
1.4 Tính đường kính phần luyện:
Suất lượng mol của pha hơi trong phần luyện: n
HL
= n
HD
= 231,579 (kmol/h).
Suất lượng thể tích của pha hơi trong phần luyện:
.
16

ĐAMH: Quá trình thiết bị GVHD: Nguyễn Thanh Thiện
13600
)2734,101(
273
4,22
231,579
3600 ×
+××
=
×
=
P
RTn
Q
HLHL
HL
= 1,976 (m
3
/s).
Đường kính phần luyện:
949,1
976,14
4
×
×
==
ππω
φ
L
HL

L
Q
= 1,136 (m).
2. Phần chưng:
Tính toán tương tự phần luyện ta có bảng sau:
x
c
x
C
T
LC
ρ
NC
ρ
AC
1/ρ
LC
ρ
LC
0,302 0,1525 107,5 953 944,680 0,00105 945,940
Vì φ
L
≈ φ
C
⇒ ta lấy đường kính của toàn tháp là chung của phần chưng và phần
luyện.
Chọn theo chuẩn ⇒ φ = 1,4 (m) (phù hợp với điều kiện φ = 1,4 ÷ 1,6 ).
Kết luận: Đường kính tháp là φ = 1,4 (m).
Vận tốc pha hơi trong phần chưng và phần luyện theo thực tế:
22

4,1
020,24
4
×
×
==
ππφ
HC
C
Q
V
=1,313(m/s);
22
4,1
1,9764
4
×
×
==
ππφ
HL
L
Q
V
=1,287(m/s).
II. CHIỀU CAO TOÀN THÁP :
.
y
c
T

HC
M
HC
ρ
HC VC
Q
HC
φ
C
0,405 108
41.142 1,313
1,530 2,010 1,296
16
ĐAMH: Quá trình thiết bị GVHD: Nguyễn Thanh Thiện
1. Phần luyện :
Dựa vào hình 3 ⇒Số mâm lý thuyết phần luyện : n
ltL
=16.
Tại nhiệt độ trung bình của pha hơi trong phần luyện T
HL
= 101,6
o
C thì:
• Tra baûng 1.250, trang 312, [5]
⇒Áp suất hơi bão hòa của nước P
NL
= 1,09668 at = 806,060 (mmHg).
• Tra hình XXIII, trang 466, [4]
⇒ Áp suất hơi bão hòa của axit axetic P
AL

= 150 (mmHg).
Neân:
150
060,806
P
P
AL
NL
L
==α
= 5,374.
Tại nhiệt độ trung bình của pha lỏng trong phần luyện T
LL
= 101,4
o
C thì :
• Tra bảng 1.104, trang 96, [5]⇒ Độ nhớt của nước µ
NL
= 0,2808 (cP).
• Dùng toán đồ 1.18, trang 90, [5]⇒Độ nhớt của axit axetic µ
AL
= 0,42 (cP).
Độ nhớt của hỗn hợp lỏng : lgµ
hh
= x
1
lgµ
1
+ x
2

lgµ
2
(công thức (I.12), trang
84,[5]
Neân: lgµ
L
= 0,787. lg0,2808 + (1 – 0,787)lg0,42 = -0,514 ⇒ µ
L
= 0,306 (cP).
⇒ α
L
µ
L
= 1,644
Tra hình 6.4, trang 257, [4]⇒ E
L
= 0,42
Vì tháp có đường kính lớn : φ = 1,4m > 0,9m ⇒ giá trị E
L
phải điều chỉnh
thêm với hệ số ∆.
Với φ = 1,4 (m) Tra hình 6.5, trang 258, [4]⇒ ∆ = 0,14.
Nên hiệu suất mâm : E
CL
= E
L
(1 + ∆) = 0,479.
.
16
ĐAMH: Quá trình thiết bị GVHD: Nguyễn Thanh Thiện

Số mâm thực : n
ttL
=
479,0
16
=
CL
ltL
E
n
= 33.4≈ 33.
2. Phần chưng :
Dựa hình 3 ⇒ Số mâm lý thuyết phần chưng : n
ltC
= 14.
Tại nhiệt độ trung bình của pha hơi trong phần chưng T
HC
= 109
o
C thì :
• Tra bảng 1.250, trang 312, [5]
⇒ Áp suất hơi bão hòa của nước P
NC
= 1066,632 (mmHg).
• Tra hình XXIII, trang 466, [4]
⇒ Áp suất hơi bão hòa của axit axetic P = 190 (mmHg).
Nên:
190
632,1066
==

AC
NC
C
P
P
α
= 5,614.
Tại nhiệt độ trung bình của pha lỏng trong phần chưng T
LC
= 107,5
o
C thì:
• Tra bảng 1.104, trang 96, [5]⇒ Độ nhớt của nước µ
NC
= 0,263 (cP).
• Dùng đồ thị 1.18, trang 90, [5]⇒ Độ nhớt của axit axetic µ
AC
= 0,390
(cP).
Độ nhớt của hỗn hợp lỏng:
lgµ
hh
= x
1
lgµ
NC
+ x
2
lgµ
AC

(công thức(I.12), trang 84,[5]
Nên: lgµ
C
= 0,302. lg0,263+ (1 – 0,302)lg0,39 = -0,461 ⇒ µ
C
= 0,346 (cP).
⇒ α
L
µ
C
= 2,588.
Tra hình 6.4, trang 257, [4]⇒ E
C
= 0,38.
Nên hiệu suất mâm : E
CC
= E
C
(1 + ∆) = 0,433.
.
16
ĐAMH: Quá trình thiết bị GVHD: Nguyễn Thanh Thiện
Số mâm thực tế phần chưng: n
ttL
=
433,0
14
=
CC
ltL

E
n
= 30.03 ≈ 30.
3. Chiều cao tháp :
Số mâm thực tế của toàn tháp : n
tt
= n
ttL
+ n
ttC
= 33 + 30 = 63.
Chiều cao thân tháp: H
thân
= (n
tt
–1)∆h + 1 = 25,8 (m).
Chọn đáy (nắp) ellip tiêu chuẩn có
φ
t
h
= 0,25 ⇒ h
t
= 0,25. 1,4 = 0,35 (m).
Chọn chiều cao gờ : h
g
= 50mm = 0,05 (m).
Chiều cao đáy(nắp): H
nắp
= h
t

+ h
g
= 0,4 (m).
Kết luận: Chiều cao toàn tháp là: H = H
thân
+ 2H
nắp
= 25,4 + 2.0,4 = 26,6
(m).
III. TRỢ LỰC THÁP.
1. Cấu tạo mâm lỗ :
Chọn tháp mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền với :
 Tiết diện tự do bằng 8% diện tích mâm.
 Đường kính lỗ d
lỗ
= 5mm = 0,005 (m).
 Chiều cao gờ chảy tràn: h
gờ
= 50mm = 0,05 (m).
 Diện tích đỉnh cho ống chảy chuyền bằng 20% diện tích mâm.
 Lỗ bố trí theo hình lục giác đều .
 Tỉ lệ bề dày mâm và đường kính lỗ là 8/10.
 Khoảng cách giữa 2 tâm lỗ bằng 7 mm.
 Mâm được làm bằng thép không gỉ X18H10T.
Số lỗ trên 1 mâm :
N =
2
2
005,0
4,1

08,008,0
%8






=








=
loãlô
mâm
dS
S
φ
= 6272.
Gọi a là hình lục giác.
.
16
ĐAMH: Quá trình thiết bị GVHD: Nguyễn Thanh Thiện
Áp dụng công thức (V.139), trang 48, [6]
N = 3a(a-1) +1  3a.a - 3a – 6271= 0.

Giải phương trình bậc 2 ⇒ a = 46,22≈ 46 ⇒ N = 6211 (lỗ).
Số lỗ trên đường chéo : b = 2a + 1 = 93 (lỗ).
2. Trở lực của mâm khô :
Áp dụng công thức (IX.140), trang 194,[6]

2
.
2
H
k
P
ρω
ξ
=∆
Đối với đĩa có tiết diện tự do bằng 8% diện tích mâm thì ξ = 1,82.
2.1 Phần luyện :
Vận tốc hơi qua lỗ : ω
L
=
08,0
1,287
%8
=
L
V
= 16,088 (m/s).
Nên : ∆P
kL
=
2

818,0.088,16
82,1
2
= 192,663 (N/m
2
).
2.2. Phần chưng :
Vận tốc hơi qua lỗ : ω
C
=
08,0
313,1
%8
=
C
V
= 16,413 (m/s).
Nên : ∆P
kC
=
2
313,1.413,16
82,1
2
= 321,871 (N/m
2
).
3. Trở lực do sức căng bề mặt :
Vì đĩa có đường kính lỗ > 1 mm.
⇒ Áp dụng công thức ( IX.142), trang 194, [6]

2
08,03,1
4
lôlô
dd
P
+
=∆
σ
σ
.
3.1. Ph ần luyện :
.
16
ĐAMH: Quá trình thiết bị GVHD: Nguyễn Thanh Thiện
Tại nhiệt độ trung bình của pha lỏng trong phần luyện T
LL
= 101,6
o
C thì :
Tra bảng 1.249,trang 310, [5]⇒ Sức căng bề mặt của nước σ
NL
= 0,5855
(N/m). Tra bảng 1.242, trang 300, [5] ⇒ Sức căng bề mặt của axit σ
AL
=
0,0196 (N/m).
Áp dụng công thức (I.76), trang 299, [5] :
21
21

21
111
σ+σ
σσ
=σ⇒
σ
+
σ
=
σ
Nên :
0196,05855,0
0196,05855,0
+
×
=
LL
σ
= 0,019 (N/m).
Cho ta:
2
003,008,0003,03,1
019,04
×+×
×
=∆
L
P
σ
= 19,484 (N/m

2
).
3.2. Phần chưng :
Tại nhiệt độ trung bình của pha lỏng trong phần chưng T
LC
= 108
o
C thì :
⇒ Sức căng bề mặt của nước σ
NC
= 0,5739 (N/m).
⇒ Sức căng bề mặt của axit σ
AC
= 0,0191 (N/m).
Áp dụng công thức :
21
21
21
111
σ+σ
σσ
=σ⇒
σ
+
σ
=
σ
Nên :
0191,05739,0
0191,05739,0

+
×
=
LC
σ
= 0,0143 (N/m).
Cho ta:
2
003,008,0003,03,1
0143,04
×+×
×
∆
C
P
σ
= 14,664 (N/m
2
).
4. Trở lực thủy lực do chất lỏng trên mâm tạo ra :
Áp dụng công thức 285,[4] : ∆P
b
= 1,3h
b
Kρ
L
g.
Với: h
b
= h

gờ
+ ∆h
l


3/2
gôø
L
l
KL85,1
Q
h








=∆
.
16
ĐAMH: Quá trình thiết bị GVHD: Nguyễn Thanh Thiện
Trong đó :
 L
gờ
:chiều dài của gờ chảy tàn, m
 K = ρ
b

/ρ
L
: tỷ số giữa khối lượng riêng chất lỏng bọt và khối lượng
riêng của chất lỏng, lấy gần bằng 0,5.
 Q
L
=
L
LL
M.n
ρ
: suất lượng thể tích của pha lỏng, m
3
/s.
Tính chiều dài gờ chảy tràn :

Ta có: S
quạt
- S
∆
= S
bán nguyệt

2
2
2
%20
2
cos
2

sin
2
1
.2
2
RRR
R
π
αα
α
=−

π
αα
α
2,0
2
cos
2
sin.2 =−
 α - sinα = 0,628
Dùng phương pháp lặp trên máy tính casio ⇒ α = 1,627 (Rad).
Nên : L
gờ
= φsin
2
α
= 1,4. sin
2
627,1

= 1,017 (m).
4.1. Phần luyện :
Khối lượng mol trung bình của pha lỏng trong phần luyện :
.
L
gờ
R
α
16
ĐAMH: Quá trình thiết bị GVHD: Nguyễn Thanh Thiện
M
LL
=
2
294,35585,18
2
MM
FLD
+
=
+
= 26,940 (kg/kmol).
Suất lượng mol của pha lỏng trong phần luyện : n
LL
= L = 181,850 (kmol/h).
Suất lượng thể tích của pha lỏng trong phần luyện :
Q
LL
=
661,956

940,2685,181
.
×
=
LL
LLLL
Mn
ρ
= 5,121(m
3
/h) = 0,00142 (m
3
/s).
Nên:
3/2
lL
5,0017,185,1
00134,0
h






××
=∆
= 0,0132 (m).
Cho ta: ∆P
bL

= 1,3(h
gờ
+ ∆h
lL
)Kρ
LL
g
= 1,3.(0,05 + 0,0132). 0,5. 956,661. 9,81 = 385,529 (N/m
2
).
4.2. Phần chưng :
Tính toán tương tự như phần luyện ⇒ ta có bảng kết quả sau :
M
LC
Q
LC
∆h
lC
∆p
bC
47,301 0,00357 0,02432 448,282
Tổng trở lực thủy lực của tháp :
Tổng trở lực của 1 mâm trong phần luyện của tháp là :
∆P
L
= ∆P
kL
+ ∆P
σ
L

+ ∆P
bL
= 251,634 + 19,484 + 385,529 = 656,647
(N/m
2
).
Tổng trở lực của 1 mâm trong phần chưng của tháp là :
∆P
C
= ∆P
kC
+ ∆P
σ
C
+ ∆P
bC
= 320,371+ 14,664 + 448,282 = 783,317 (N/m
2
).
Kiểm tra hoạt động của mâm:
.
16
ĐAMH: Quá trình thiết bị GVHD: Nguyễn Thanh Thiện
 Kiểm tra lại khoảng cách mâm ∆h = 0,4m đảm bảo cho điều kiện hoạt
động
bình thường của tháp : ∆h >
g
P
8,1
L

ρ
∆
Với các mâm trong phần chưng trở lực thủy lực qua 1 mâm lớn hơn trở lực
thủy lực của mâm trong phần luyện.
Ta có:
81,9661,956
656,647
8,18,1
×
=
∆
g
P
LL
L
ρ
= 0,126 <
81,994,945
783,317
8,18,1
×
=
∆
g
P
LC
C
ρ
= 0,153 < 0,4
⇒ Điều kiện trên được thỏa.

 Kiểm tra tính đồng nhất của hoạt động của mâm.
Tính vận tốc tối thiểu qua lỗ của pha hơi v
min
đủ để cho các lỗ trên mâm đều
hoạt động :
v
min
= 0,67
313,182,1
)02432,005,0(94,94581,9
67,0
×
+××
=
HC
bCLC
hg
ξρ
ρ
= 11,382 < 16,088 .
⇒ Các lỗ trên mâm đều hoạt động .
Kết luận :
Tổng trở lực thủy lực của tháp :
∆P = n
ttL
.∆P
L
+ n
ttC
∆P

C
= 33. 656,647 + 30. 783,317 = 45168,861 (N/m
2
).
5. Kiểm ta ngập lụt khi tháp hoạt động :
Khoảng cách giữa 2 mâm : ∆h = 400 (mm).
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 (5.20), trang
120, [2]
h
d
= h
gờ
+ ∆h
l
+ ∆P + h
d’
, (mm.chất lỏng)
.
16
ĐAMH: Quá trình thiết bị GVHD: Nguyễn Thanh Thiện
Trong đó :
 h
gờ
: chiều cao gờ chảy tràn (mm).
 ∆h
l
: chiều cao lớp chất lỏng trên mâm (mm).
 ∆P: tổng trở lực của 1 mâm (mm.chất lỏng).
 h

d’
: tổn thất thủy lực do dòng lỏng chảy từ ống chảy chuyền vào mâm,
được
xác định theo biểu thức (5.10),trang 115,[2])
2
d
L
'd
S.100
Q
.128,0h








=
,(mmchất
lỏng)
 Q
L
: lưu lượng của chất lỏng (m
3
/h).
 S
d
: tiết diện giữa ống chảy chuyền và mâm .

S
d
= 0,8 . S
mâm
= 0,8 .
4
π
.1,4
2
= 1,232 ( (m
2
).
Để tháp không bị ngập lụt khi hoạt động thì : h
d
≤
2
1
∆h = 200 (mm).
5.1 Phần luyện :
∆h
lL
= 0,0132. 1000 = 13,2 (mm).
 ∆P
L
=
1000
81,9661,956
656,647
1000
656,647

×
×
=×
g
LL
ρ
= 69,969 (mm.chất lỏng).

2
2
'
1,0778100
3600 0,00142
.128,0
.100
.128,0






×
×
=









=
d
LL
Ld
S
Q
h
= 0,000288 (mm. chất
lỏng).
Nên: h
dL
= 50 + 13,2 + 69,969 + 0,000288 = 133,169 (mm) < 200 (mm).
Vậy : Khi hoạt động thì mâm ở phần luyện đảm bảo sẽ không bị ngập lụt.
5.2. Phần chưng :
∆h
lC
= 0,02432. 1000 = 24,32 (mm).
.