thiết kế tháp chóp chưng cất liên tục hệ hai cấu tử nước – acid acetic ở áp suất khí quyển, năng suất hỗn hợp đầu 40 000 tấn trên năm

Đồ án quá trình và thiết bị 2014
LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay, với sự phát triển vượt bậc của khoa học và công nghệ, các ngành
công nghiệp trên thế giới nói chung cũng như ở Việt Nam nói riêng rất cần những
hóa chất có tiêu chuẩn về chất lượng và độ tinh khiết cao. Các phương pháp phổ
biến được áp dụng rộng rải hiện nay để nâng cao độ tinh khiết như: chưng cất, trích
ly, cô đặc, hấp thụ….tùy theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà có sự lựa chọn
phương pháp phù hợp.
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 hóa học 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 hóa chất thực phẩm. Đây là bước đầu tiên để sinh viên vận
dụng những kiến thức đã học về nhiều môn để giải quyết những vấn đề thực tế về
kỹ thuật trong công nghiệp một cách tổng hợp.
Nhiệm vụ của đồ án môn học là thiết kế tháp chóp chưng cất liên tục hệ hai
cấu tử nước – acid acetic ở áp suất khí quyển, năng suất hỗn hợp đầu 40.000
tấn/năm. Đối với hệ nước – acid acetic là hệ hai cấu tử hòa lẫn vào nhau hoàn toàn,
có nhiệt độ sôi cách xa nhau nên ta dung phương pháp chưng cất để thu được sản
phẩm có độ tinh khiết cao.
Hoàn thành đồ án môn học, chúng em chân thành gửi lời cảm ơn đến ban giám
hiệu nhà trường Đại học Bà Rịa – Vũng Tàu cùng khoa hóa hoc và công nghệ thực
phẩm đã tạo điều kiện cho chúng em thực hiện đồ án. Chúng em xin gửi lời cảm ơn
đến thầy Nguyễn Quốc Hải đã giúp đỡ chúng em trong quá trình tính toán để hoàn
thành đồ án này.
Sau cùng chúng em xin kính chúc quý thầy cô luôn dồi dào sức khỏe và tận
tâm trong công việc.
Nhóm sinh viên thực hiện
Võ Tá Duyễn
Bùi Kim Đạt
Nguyễn Vũ Linh
1

Đồ án quá trình và thiết bị 2014
CHƯƠNG I : TỔNG QUAN
I. LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT
1. Phương pháp chưng cất:
Chưng cất là quá 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 làquá 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 nước – acid acetic sản phẩm đỉnh là
nước, sản phẩm đáy chủ yếu gồm acid acetic 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 cất nhiệt ở đáy tháp: cấp nhiệt trực tiếp bằng hơi nước: thường

được áp dụng trường hợp chất được tách không tan trong nước .
2
Đồ án quá trình và thiết bị 2014
Vậy: đối với hệ nước – acid acetic, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp
nhiệt gián tiếp bằng nồi đun ở áp suất thường.
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 vào 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 bố trí có chép dạng:tròn ,xú bắp ,chữ s…
∗ Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm bố trí các lỗ có đường kính (3-12) mm.
• 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 nhược điểm của các loại tháp
Tháp chêm Tháp mâm xuyên lỗ Tháp chóp
Ưu điểm
− Đơn giản
− Trở lực thấp
− Hiệu suất tương đối cao
− Hoạt động khá ổn định
− Làm việc với chất lỏng

bẩn
− Hiệu suất cao
− Hoạt động ổn
định
Nhược điểm
− Thiết bị nặng
− Hiệu suất thấp
− Độ ổn định
kém
− Trở lực khá cao
− Yêu cầu lắp đặt khắt
khe, đĩa lắp thật phẳng
− Không làm
việc với chất
lỏng bẩn
− Cấu tạo phức
tạp
3
Đồ án quá trình và thiết bị 2014
− Trở lực lớn
Nhận xét: ta thấy tháp chop cho hiệu suất cao và làm việc ổn định hơn
Vậy: Chưng cất hệ nước – acid acetic ta dùng tháp chóp hoạt động liên tục ở áp
suất thường, cấp nhiệt gián tiếp ở đáy tháp, nhập liệu sau khi trao đổi nhiệt với thiết
bị gia nhiệt nhập liệu, sản phẩm đáy được làm nguội để thu sản phẩm chính, sản
phẩm đỉnh được dẫn vào nồi đun để tạo hơi nước quá nhiệt cấp nhiệt cho nhập liệu
và nồi đun đáy tháp.
II. GIỚI THIỆU SƠ BỘ VỀ NGUYÊN LIỆU
1. Nước
Nước: là chất lỏng không màu, không mùi,là dung môi hòa tan tốt các hợp chất
phân cực,năng hơn dung môi hữu cơ, không hòa tan dung môi hữu cơ,…nước sôi ở

100
0
C và đông đặc ở 0
0
C.
2. Acid acetic
Acid acetic là một loại acid quan trọng trong các loại acid hữu cơ, nó rẻ hơn nên
được sử dụng rộng rải và là hoá chất cơ bản để điều chế nhiều hợp chất quan trọng.
Acid acetic được ứng dụng trong các nghành:
+ Làm dấm ăn.
+ Đánh đông mủ cao su
+ Làm chất dẻo tơ lụa xeluloza acetat .
+ Làm phim ảnh không nhạy lửa.
+ Làm chất kết dính polyvinyl acetat .
+ Làm phẩm màu, dược phẩm, nước hoa tổng hợp.
4
Đồ án quá trình và thiết bị 2014
3. Hỗn hợp Nước – Acid acetic
Ta có bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Nước –Acid
acetic ở áp suất 760 mmHg
x(% mol) 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
y(% mol) 0 9.2 16,7 30,3 42,5 53 62,6 71,6 79,5 86,4 93 100
t(
0
C) 118,1 115,4 113,8 110,1 107,5 105,8 104,4 103,3 102,1 101,3 100,6 100
Đồ thị 1: đồ thị t- x, y cho hệ Nước – Acid acetic
5
Đồ án quá trình và thiết bị 2014
III. CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT NƯỚC – ACID ACETIC
1. Sơ đồ quy trình công nghệ chưng cất hệ hai cấu tử Nước – Acid acetic

Chú thích :
1. Bơm
2. Bồn cao vị
3. Thiết bị gia nhiệt
4. Lưu lượng kế
5. Tháp chưng cất
6. Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh
7. Bộ phận chỉnh dòng
8. Bồn chứa sản phẩm đỉnh .
9. Nồi đun .
10.Thiết bị tách nước ngưng
11.Bồn chứa nguyên liệu
12.Bẩy hơi
13.Van xả khí không ngưng
14.Bồn chứa sản phẩm đáy
15.Thiết bị làm lạnh.
6
Đồ án quá trình và thiết bị 2014
2. Thuyết minh quy trình công nghệ
Hỗn hợp nước-acid acetic có nồng độ nước 35% ( Kgnuoc/KgHH) , nhiệt độ
khoảng 25
0
C tại bồn chứa nguyên liệu (11) được bơm (1) bơm lên bồn cao vị (2).
Từ đó được đưa đến thiết bị gia nhiệt (3) ( trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy). Ở đây,
hỗn hợp được gia nhiệt đến nhiệt độ 103
0
C . Sau đó, hỗn hợp được đưa vào tháp
chưng cất (5) 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 (9) 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 nước chiếm
nhiều nhất ( có nồng độ 95% theo khối lượng ). Hơi này đi vào thiết bị điều chỉnh
dòng (7)sau đó một phần ngưng tụ được đưa qua thiết bị làm lạnh (15) và đưa đến
bồn chứa sản phẩm đỉnh (8). Phần còn lại của chất lỏng ngưng được hồi lưu về tháp
ở đĩa trên cùng với tỷ 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 gồm hầu hết là cấu tử khó
bay hơi ( acid acetic). Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độ nước là 4% theo khối lượng,
còn lại là acid acetic. Dung dịch lỏng ở đáy đi ra khỏi tháp, một phần được đun, bốc
hơi ở nồi đun (9) cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại được đưa
qua thiết bị làm lạnh (15) trao đổi nhiệt với nước, nhiệt độ của sản phẩm đáy sau khi
trao đổi nhiệt là 40
0
C, sau đó đưa đến bồn chứa sản phẩm đáy.
Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là nước, sản phẩm đáy là acid
acetic sau khi trao đổi nhiệt với nước làm mát được đưa vào bồn chứa.
7
Đồ án quá trình và thiết bị 2014
CHƯƠNG II : CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG
I. CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU
• Nguyên liệu đầu vào (nhập liệu) là hỗn hợp Nước - Acid axetic.
• Năng xuất nhập liệu là:
F
=0,35
• Nồng độ sản phẩm đỉnh là:
D

= 0,95(Kmol nuoc/Kmol hh)
• Nồng độ sản phẩm đáy là:
w
= 0,04(Kmol nuoc/Kmol hh)
• Năng xuất nhập liệu: 40,000 (tấn/năm)
Đổi 40000 tấn/năm = 4563,18 Kg/h
• Tháp hoạt động liên tục,chưng cất ở áp suất thường.
• Khối lượng phân tử của Nước và Acid acetic : M
N
=18 (Kg/Kmol),
M
A
=60(Kg/Kmol).
• Chọn:
+ Nhiệt độ nhập liệu: t
F
=101,55
0
C
+ Nhiệt độ sản phẩm đỉnh: t
D
=101,02
0
C
+ Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt: t
w
=111,87
0
C
+ Trạng thái nhập liệu: lỏng, sôi.

II. XÁC ĐỊNH XUẤT LƯỢNG SẢN PHẨM ĐỊNH VÀ SẢN PHẨM ĐÁY
∗Ký hiệu:
G
F
, G
D
, G
W
- Lần lượt là năng suất nhập liệu, năng suất sản phẩm đỉnh, năng
suất sản phẩm đáy (kg/h).
F, D, W - Suất lượng mol nhập liệu, suất lượng sản phẩm đỉnh, suất lượng
sản phẩm đáy (kmol/h).
- Nồng độ % khối lượng Aceton trong nhập liệu, sản
phẩm đỉnh,sản phẩm đáy.
, - Nồng độ mol Aceton trong nhập liệu,sản phẩm đỉnh,sản phẩm
đáy.
• Ta có, phương trình cân bằng vật liệu:
F = D + W (1).
Đối với cấu tử dễ bay hơi:
8
Đồ án quá trình và thiết bị 2014
F. = D. + W . (2).
Từ (1) và (2), Suy ra hệ phương trình:
{
. . .
F D W
F D W
F x D x W x
= +
= +

(*)
- Chuyển đổi phần khối lượng sang phần mol:
=
axit
F
nuoc
F
nuoc
F
M
x
M
x
M
x
−
+
1
=
60
35,01
18
35,0
18
35,0
−
+
= 0,642
=
acid

D
nuoc
D
nuoc
D
M
x
M
x
M
x
−
+
1
=
60
95,01
18
95,0
18
95,0
−
+
=0,984
=
acid
W
nuoc
W
nuoc

F
M
x
M
x
M
x
−
+
1
=
0,04
18
0,122
0,04 1 0,04
18 60
=
−
+
Phân tử lượng trung bình của các dòng :
M
tb F
= .M
nước
+ (1-x
F
).M
acid
= 0,642 .18 + (1-0,642).60 = 33,036
M

tbD
= M
nước
+ (1-x
D
).M
acid
=0,984.18 + (1- 0,984).60 = 18,672
M
tbW
= .M
nước
+ (1-x
W
).M
acid
= 0,122.18 + (1-0,122).60 = 54,876
Suất lượng mol của dòng nhập liệu:
F =
F
tbF
G
M
=
036,33
18,4563
= 138,127 (kmol/h)
Thế vào hệphương (*)
WDF
xWxDxF

WDF
+=
+=
{

{
138,127
138,127.0,642 .0,984 .0,122
D W
D W
= +
= +

{
83,32( / )
54,80( / )
D kmol h
W kmol h
=
=
Suất lượng dòng sản phẩm đỉnh và đáy (kg/h):
9
Đồ án quá trình và thiết bị 2014
G
D
= D.M
tbD
= 83,32.18,672 = 1555,75(kg/h)
G
W

= W.M
tbW
= 54,802.54,876 = 3007,315(kg/h)
Xuất lượng mol tương đối của dòng nhập liệu:
0,9845 0,122
1,6587
0,642 0,122
P W
F W
x x
f
x x
−
−
= = =
− −
Vậy: Năng suất sản phẩm đỉnh G
D
= 1555,75 (kg/h)
Năng suất sản phẩm đáy G
W
= 3007,315 (kg/h)
Suất lượng mol nhập liệu F= 138,127 (kmol/h)
Suất lượng sản phẩm đỉnh D= 83,325 (kmol/h)
Suất lượng sản phẩm đáy W= 54,082 (kmol/h)
III. XÁC ĐỊNH CHỈ SỐ HỒI LƯU LÀM VIỆC
1. Tỉ số hồi lưu tối thiểu
Tỉ số hồi lưu tối thiểu là chế độ làm việc mà tại đó ứng với số mâm lí thuyết
là vô cực. Do đó, chi phí cố định là vô cực nhưng chi phí điều hành (nhiên
liệu, nước, bơm…) là tối thiểu.

Do nhập liệu ở trạng thái bão hòa, nên R
min
được xác định như sau:
R
min
=
FF
FD
xy
yx
−
−
*
*
,
Trong đó:
x
D
: phần mol cấu tử dể bay hơi ở sản phẩm đỉnh
x
F
: phần mol cấu tử dể bay hơi trong hỗn hợp đầu
y
F
*
: nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi cân băng với x
F
ta có : x
F
=0,642 (%mol) →

*
F
y
= 0,75
R
min
=
FF
FD
xy
yx
−
−
*
*
=
642,075,0
75,0984,0
−
−
= 2,167
2. Tỉ số hồi lưu thích hợp
Phương trình nồng độ làm việc của đoạn cất.
1 1
D
R x
y x
R R
= +
+ +

→y=
1
+
R
R
. +
1
1
+
R
. =
10
Đồ án quá trình và thiết bị 2014
Phương trình nồng độ làm việc của đoạn chưng.
1
1 1
W
R f f
y x x
R R
+ −
= −
+ +
Chọn R
th
=1,3R
min
+0,3
R
th

=1,3.2,167+0,3=3,1171
→Y
chưng
=1,16x-0,019
→Y
cất
=0,757x+0,238
11
Đồ án quá trình và thiết bị 2014
IV. XÁC ĐỊNH SỐ MÂM CỦA THÁP
1. Xác định số mâm lý thuyết
12
Đồ án quá trình và thiết bị 2014
Vẽ đồ thị xác định số mâm lý thuyết (gồm đường cân bằng , đoạn chưng ,
đoạn cất).
13
Đồ án quá trình và thiết bị 2014
tt
N
: số mâm thực tế.
- Xác định hiếu suất trung bình của tháp
tb
η
+ Độ bay hơi tương đối của cấu tử dễ bay hơi:
*
*
1
.
1
F

F
xy
y x
α
−
=
−
Ta có:
1 1 2 2
lg lg lg
hh
x x
µ µ µ
= +
*Tại vị trí nhập liệu: = 0,642 → =0,75
*
*
1 0,75 1 0,642
. . 1,673
1 1 0,75 0,642
F F
F F
y x
y x
α
− −
= = =
− −
Tra bảng I.101, trang 90, [1]
101,55 0,276( ) 0,459( )

F Nuoc Acid
o
t C cP cP
µ µ
= ⇒ = ⇒ =
Suy ra:
.lg (1 ) 0,642lg(0,276) (1 0,642)lg(0,459) 0,48
lg
0,33( )
D D Nuoc D acid
D
x
x
cP
µ µ
µ
µ
+ − = + − = −
=
=
1,673.0,33 0,55
F F
α µ
= =
.
Tra hình IX trang 171, [2]
59%
F
η
=

*Tại vị trí đỉnh: = 0,984 → = 0,99
*
*
1 0,99 1 0,984
. . 1,610
1 1 0,99 0,984
D D
D D
y x
y x
α
− −
= = =
− −
Tra bảng I.104, [1]
101,02 0,282( ) 0,459( )
D Nuoc Acid
o
t C cP cP
µ µ
= ⇒ = ⇒ =
Suy ra:
.lg (1 ) 0,984.lg(0,282) (1 0,984)lg(0.459) 0,55
lg
0,282( )
D D Nuoc D Acid
D
x
x
cP

µ µ
µ
µ
+ − = + − = −
=
=
1,610.0.282 0,45
D D
α µ
= =
Tra hình IX trang 171, [2]
14
Đồ án quá trình và thiết bị 2014
60%
D
η
=
*Tại vị trí đáy: = 0,122 → = 0,2
*
w w
*
w w
1 0,2 1 0,122
. . 1,799
1 1 0,2 0,122
y x
y x
α
− −
= = =

− −
Tra bảng I.104, [1]
111,87 0,256( ) 0,4( )
D Nuoc Acid
o
t C cP cP
µ µ
= ⇒ = ⇒ =
Suy ra:
w w
w
.lg (1 ) 0,122.lg(0,256) (1 0,122).lg(0,4) 0,42
lg
0,38( )
D Acid Nuoc
x
x
cP
µ µ
µ
µ
+ − = + − = −
=
=
w w
1,799.0,38 0,68
α µ
= =
Tra hình IX trang 171, [2]
w

55%
η
=
Vậy hiệu suất trung bình của tháp :
59 55 60
58% 0,58
3 3
F W P
tb
η η η
η
+ +
+ +
= = = =
Xác định số mâm thực tế.
Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình:
lt
tt
tb
N
N
η
=
=

Vậy N
tt
=42 mâm

, trong đó:

Số mâm cất:N
ttchung
mâm
Số mâm chưng: N
ttcất
= mâm
V. CÂN BẰNG NHIỆT CHO TOÀN THÁP
- Chọn hơi đốt là nước ở 2.5at
- Tra bảng 1251 trang 314 , tập 1
+ Nhiệt hóa hơi:
2
2189500( / )
n
H O
r r J kg
= =
15
Đồ án quá trình và thiết bị 2014
+ Nhiệt độ sôi:
2
126,25( )
n
H O
o
t t C= =
- Dòng sản phẩm đáy có nhiệt độ:
+ Trước khi vào nồi đun (lỏng):
1
111,87( )
s

o
t C
=
+ Sau khi đun sôi (hơi):
112( )
2
o
t C
s
=
Cân bằng nhiệt cho toàn tháp:
( 1)
d F FS P P W WS P PS m
Q G h R G r G h G h Q
+ = + + + +
Cho
0,05
m d
Q Q
=
( ) ( )
0,95 ( 1)
d P P W WS FS P PS FS
h h
Q R G r G h G h
− −
⇒ = + + +
+
. . (1 ).
FS F FS F N F A FS

h c t x c x c t
 
 
= = + −
+
. . (1 ).
WS W WS W N W A WS
h c t x c x c t
 
 
= = + −
+
. . (1 ).
PS P PS P N P A PS
h c t x c x c t
 
 
= = + −
+
. (1 )
P P N P A
r x r x r
= + −
Với:
0,642 101,55( )
o
F FS
x t C
= ⇒ =
0,984 100,10( )

o
D DS
x t C
= ⇒ =
0,122 111,87( )
o
W WS
x t C
= ⇒ =
VI. NHIỆT DUNG RIÊNG VÀ ENTHALPY
Nhiệt dung riêng:
Tra bảng 1249, trang 310, [1]
Nhiệt dung riêng của nước ở 101,55 (
o
C) : 4,2201 (kJ/kg.K).
Nhiệt dung riêng của nước ở 100,10 (
o
C) : 4,2220 (kJ/kg.K).
Nhiệt dung riêng của nước ở 111,87 (
o
C) : 4,2365 (kJ/kg.K).
Tra bảng 1154, trang 172, [1]
Nhiệt dung riêng của acid axetic ở 101,55 (
o
C) : 2,4300 (kJ/kg.K).
Nhiệt dung riêng của acid axetic ở 100,10 (
o
C) : 2,4384 (kJ/kg.K).
Nhiệt dung riêng của acid axetic ở 111,87 (
o

C) : 2,4935 (kJ/kg.K).
ENTHALPY
16
Đồ án quá trình và thiết bị 2014
0,5.4,2220 (1 0,5).2,4384 .101,55 338,2474.
FS
h
 
 
= + − =
0,05.4,2365 (1 0,05).2,4935 .111,87 289,2912.
WS
h
 
 
= + − =
0,95.4,2206 (1 0,95).2,4326 .100,10 415,2195.
DS
h
 
 
= + − =
Nhiệt hóa hơi:
Tra bảng 1250, trang 312,[1]
Nhiệt hóa hơi của nước ở 100,10(
o
C):
2257,65( / )
N
r kJ kg

=
.
Dùng toán đồ: 1.65, trang 255,[1]
Nhiệt hóa hơi của acid axetic ở 101,10(
o
C):
421,68( / )
A
r kJ kg
=
.
Tra bảng 1251, trang 314,[1]
Nhiệt hóa hơi của nước ở 2,5at :
2189,50( / )
N
r kJ kg
=
.
Nên
0,95.2257,65 (1 0,95).421,68 2123,68
P
r
= + − =
.
Nhiệt lượng cần cung cấp:
( 1) ( ) ( )
0,95
(2,78 1)1017,78.2123,68 1017,78(289,2912 338,2474) 1017,78(415,2195 338,2474)
0,95
8198753,56( / )

P P W WS FS P PS FS
d
R G r G h h G h h
Q
kJ kg
+ + − + −
=
+ + − + −
=
=
Nếu sung hơi nước bão hòa (không chứa ẩm) để cung cấp nhiệt thì:
.
d N N
Q G r
=
.
Vậy lượng hơi nước cần dùng là:
8198753,56
3744,58( / )
2189,5
d
N
N
Q
G kg h
r
= = =
.
17
Đồ án quá trình và thiết bị 2014

CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH
I. CHIỀU CAO CỦA THÁP
( ) (0,8 1)( )
TT d
H N H m
δ
= + + ÷
Với:
TT
N
: số đĩa thực tế
δ
: chiều dày của mâm, chọn
δ
=4(mm) = 0,004(m)
d
H
: khoảng cách giữa các mâm(m).
Chọn theo bảng IX.4a, Trang 169,[2],
d
H
=0,5(m),
(0,8 1)
÷
: khoảng cách cho phép ở đỉnh và đáy tháp.
H=42.(0,5+0,004)+1=21,168 (m)
II. ĐƯỜNG KÍNH CỦA THÁP
0,0188
( . )
tb

y y tb
g
D
ρ ω
=
Trong đó :
tb
g
: lượng hơi trung bình đi trong tháp(kg/h).
( . )
y y tb
ρ ω
: tốc độ hơi trung bình đi trong tháp(m/s).
Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng và đoạn cất là khác nhau. Do
đó, đường kính đoạn chưng và đoạn cất cũng khác nhau.
1. Đường kính đoạn cất:
a. Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng trong phần cất
Nồng độ phần mol trung bình của pha lỏng trong phần cất
0,813( )
2
D F
C
x x
x mol
+
= =
Từ đồ thị 1 ta nội suy ra được nhiệt độ trung bình của pha lỏng trong
phần luyện: T
LL
=100,3(

0
C)
 Nồng độ khối lượng trung bình của pha lỏng trong phần cất:
0,95 0,35
0,65
2 2
D F
C
x x
x
+ +
= = =
18
Đồ án quá trình và thiết bị 2014
Tra bảng 1.249, trang 311, [1]
Khối lượng riệng của nước ở 101,02(
0
C):
ρ
N
= 958,178 kg/m
3
Tra bảng 1.2, trang 9, [1]
Khối lượng riêng của Acid acetic ở101,02(
0
C):
ρ
A
= 958 kg/m
3

Áp dụng công thức ( 1.2), trang 5, [1]
3
1 1 0,65 1 0.65
1,044.10
958,178 958
C C
LC N A
x x
ρ ρ ρ
−
− −
= + = + =
3
957,85( / )
LC
kg m
ρ
→ =
b. Khối lượng trung bình của pha hơi trong phần cất
Nồng độ trung bình của pha hơi trong phần luyện
0,76. 0,23 0,76.0,813 0,23 0,848
L C
Y x
= + = + =
→ Nhiệt độ trung bình của pha hơi trong phần cất
T
HC
= 101,08
0
C

Khối lượng riêng trung bình:
( )

3
. 1 . .273
0,848.18 (1 0,848).[ ].27360
0,794( / )
22,4. 22,4(101,08 273)
L A
HC
N L
y M y M
kg m
T
ρ
+ −
 
+ −
=
 
= =
+
Tốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp với mâm chóp có ống chảy chuyền:
→
957,85
0,05. 1,737( / )
0,794
0,05.
LC
gh

HC
m s
ρ
ω
ρ
= =
=
Để tránh tạo bọt ta chọn tốc độ hơi trung bình:
0,8. 0,8.1,737 1,39( / )
h gh
m s
ω ω
= = =
c. Lượng hơi trung bình đi trong đoạn cất.
1
( / )
2
p
tb
g g
g kg h
+
=
p
g
: lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp(kg/h).
1
g
: lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn cất(kg/h).
- xác định

p
g
:
Ta có: G
D
= D.M
tbD
= 83,325.18,672 = 1555,75
19
Đồ án quá trình và thiết bị 2014
D
( 1) 1555,75.(3,251 1) 6613,49( / )
p TH
g G R kg h
= + = + =
- Xác định
1
g
theo phương trình:
1 1
1 1 1 1
1 1
. .
. .
.
P
p p
g G P
g y G x P x
g r g r






= +
= +
=
( 1)
Với:
1
G
: lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn cất
1
r
: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất của đoạn cất.
p
r
: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi ra ở đỉnh tháp.
Ta có:
1 1 1
. (1 )
. (1 ).
a b
D a D D b
r r y y r
r r y y r
= + −



= + −

(IX.96, trang182, [2])
101,55( )
F
o
t C
=
, tra bảng 1251, trang 314 tập [1]
Ẩn nhiệt hóa hơi của nước:
40617,05( / )
FN
r kJ kmol
=
.
Ẩn nhiệt hóa hơi của acid:
24855,65( / )
FA
r kJ kmol
=
.
1 1 1 1
. (1 ). 24855,65 15761,4
FN FA
r r y y r y
⇒ = + − = +
Tính
p
r
: t

D
= 100,01
o
C, tra bảng 1251, trang, [1]
Ẩn nhiệt hóa hơi của nước:
40698,62( / )
DNuoc
r kJ kmol
=
.
Ẩn nhiệt hóa hơi của acid:
DAcid
24898,54( / )r kJ kmol
=
.
0,984
D D
y x
= =
(phần khối lượng)
. (1 ). 40698, 62.0, 984 (1 0, 984).24898, 54
40445,82( / )
r r y y r
D DNuoc D D DAcid
kJ kmol
⇒ = + − = + −
=
1 1 1
0,642 0,75 28,5
F TB

x x y M
= = ⇒ = ⇒ =
1 1 1 1
36676,7
. (1 ). 24855,65 15761,4
FN FA
r r y y r y
=
⇒ = + − = +
20
Đồ án quá trình và thiết bị 2014
Giải hệ phương trình ( 1 ) ta được:
1
1
1
7293,13( / ) 297,56( / )
214,24( / )
0,75
g kg h kmol h
G Kmol h
y
= =


=


=

Vậy :

1
7293,13 6613,49
6953,31
2
( / )
2
P
tb
g g
g kg h
+
= =
+
=
Vậy đường kính đoạn cất:
0,0188
( . )
tb
y y tb
g
D
ρ ω
=
2. Đường kính đoạn chưng:
II.1 Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng trong phần chưng
- Nồng độ mol trung bình của pha lỏng trong phần chưng
-
W
0,642 0,122
0,382

2 2
F
c
x x
X
+ +
= = =
(molacid/mol hỗn hợp)
Nhiệt độ trung bình của pha lỏng trong phần chưng: T
LC
= 106,1(
0
C)
Nồng độ phần khối lượng trung bình của pha lỏng trong phần chưng
W
0,35 0,04
0,195
2 2
F
c
x x
X
+ +
= = =
(kg acid/kg hỗn hợp)
Tra bảng (1.249) trang 311 [1]
Khối lượng riêng của nước ở 106,1(
0
C):ρ
N

=955,3 (kg/m
3
)
Tra bảng (1.2), trang 9, [1]
Khối lượng riêng của Acid ở 106,1(
0
C): ρ
A
=942 (kg/m
3
)
Áp dụng công thức (1.2), trang 5, [1]
3
3
1 1 0,195 1 0,195
1,06.10
955,3 942
944,56 k / m )( g
c c
LC N A
LC
x x
ρ ρ
ρ
ρ
−
− −
= + = + =
⇒ =
21

Đồ án quá trình và thiết bị 2014
2.2 Khối lượng riêng trung bình của pha hơi trong phần chưng
Tốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp với mâm chóp có ống chảy chuyền:
'
'
'
0,05.
L
gh
H
ρ
ω
ρ
=
Với:
'
L
ρ
: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (kg /m
3
).
'
H
ρ
: khối lượng riêng trung bình của pha hơi (kg /m
3
).
- Xác định
'
H

ρ
:
'
1
0,75 0,20
0,475
2 2
w
tb
y y
y
+ +
= = =
Nhiệt độ trung bình của đoạn chưng:
'
101,55 111,87
106,7
2 2
F W
tb
t t
t
+
+
= = =
Vậy ta có:
' '
'
'
[ .18 (1 ).60] [0,475.18 (1 0,475).60].273

22.4 22,4.(106,7 273)
3
1,285( / )
tb tb o
H
H
y y T
T
kg m
ρ
+ − + −
= =
+
=
- Xác định
'
L
ρ
:
Nồng độ phần mol trung bình:
w
tb
0,984 0,122
0,553
2 2
D
x x
x
+ +
= = =

'
' '
18. 18.0,553
0,27
18. (1 ).60 18.0,553 (1 0,553).60
tb
tb tb
x
x
x x
⇒ = = =
+ − + −
.
t
’
tb
=106,7(
o
C), tra bảng trang 9,[1]
Khối lượng riêng của nước ở 106,7(
o
C):
'
3
946,41( / )
N
kg m
ρ
=
.

Khối lượng riêng của acid ở 106,7(
o
C):
'
3
930,15( / )
A
kg m
ρ
=
.
' '
' ' '
' 3
1 1 0,27 1 0,27
3
1,07.10
946,41 930,15
934,58( / ).
tb tb
TB N A
TB
x x
kg m
ρ ρ ρ
ρ
⇒
− −
−
= + = + =

⇒ =
Suy ra:
'
934,58
0,05. 1,35( / )
1,285
gh
m s
ω
= =
.
22
Đồ án quá trình và thiết bị 2014
Để tránh tạo bọt ta chọn tốc độ hơi trung bình:
' '
0,8. 0,8.1,35 1,08( / )
h gh
m s
ω ω
= = =
.
2. 3 Lượng hơi trung bình đi trong tháp
, '
'
1
( / )
2
n
tb
g g

g kg h
+
=
'
n
g
: lượng hơi ra khỏi đoạn chưng(kg/h).
'
1
g
: lượng hơi đi vào đoạn chưng(kg/h).
Xác định
'
n
g
:
1
'
7293,13( / )
n
g g kg h
= =
.
- Xác định
'
1
g
theo phương trình:
' '
1 1

' ' '
1 1 1
' ' ' '
1 1 1 1
. .
W W
n n
G g W
G x g y Wx
g r g r g r





= +
= +
= =
( II )
Với:
'
1
G
: lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn chưng.
'
1
r
: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng.
Tính
'

1
r
:
2
51,6
0,122 0,20
W W TB
x y M
=
= ⇒ = ⇒
.
'
1
111,87( )
W
o
t t C
= =
, tra bảng 1251, trang 314 tập 1:
Ẩn nhiệt hóa hơi của nước:
1
'
40131,23( / )
N
r kJ kmol
=
.
Ẩn nhiệt hóa hơi của acid:
'
A1

24549,16( / )r kJ kmol
=
.
' ' '
1 1 A1
. (1 ). 0,20.40131,23 (1 0,20).24549,16
27665,57
N W W
r r y y r
⇒ = + − = + −
=
.
Tính
1
r
: với
1 w
0,75y y
= =
1 1 1 1 A1 1
. (1 ). 24855,65 15761,4
36676,7( / )
N
r r y y r y
kJ kmol
= + − = +
=
Giả hệ phương trình (II):
'
1

'
1
'
1
9668,62( / ) 194,5( / )
139,7( / )
0,2
g kg h mol h
G kmol h
y

= =

=


=

23
Đồ án quá trình và thiết bị 2014
Vậy:
' '
'
1
7293,13 9668,62
8480,88( / )
2 2
n
tb
g g

g kg h
+
+
= = =
.
Đường kính đoạn chưng:
8480,88
0,0188 1,47( )
1,08.1,285
CH
D m
= =
.
Kết luận :Đường kính của đoạn chưng và cất có chênh lệch, để thuận tiện
trong thiết kế ta chọn đường kính tháp là:
1,5( )D m
=
.
III. TRỞ LỰC CỦA THÁP
1. Tính toán chóp
- Chọn đường kính ống hơi:
75( ) 0,075( )
h
d mm m
= =
.
- Số chóp phân bố trên đĩa:
2 2
2 2
1,5

0,1. 40
0,075
0,1
h
D
n
d
= =
=
(Chóp).
- Chiều cao của chóp phía trên ống dẫn hơi:
2
0,25 0,25.0,075 0,01875( ).
h
h d m
= = =
ch
δ
=0,002
Đường kính chóp:
2 2 2 2
(0,075 (0,075 2.0,002) 0,109( )
( ( 2 )
ch h h ch
m
d d d
δ
= + + =
= + +
.

ch
δ
: chiều dày của chóp, chọn
ch
δ
=2(mm).
- Khoảng cách từ mặt đĩa đến chân chóp:
0 25( )S mm= ÷
, chọn
12,5( )S mm
=
- Chiều cao mực chất lỏng trên khe:
1
15 40( )h mm
= ÷
, chọn
1
30( )h mm
=
- Chiều cao ống dẫn hơi: Chọn
80( )
h
h mm
=
.
- Chiều cao chóp:
2
80 18,75 98,75( )
ch h
h h h mm

= + = + =
- Bước tối thiểu của chóp trên mâm:
5,32
12
2
.0,75
4
π
=
2
I
: khoảng cách nhỏ nhất giữa các chóp.
24
Đồ án quá trình và thiết bị 2014
2
12,5 0,25. 12,5 0,25.109 39,75( )
ch
I d mm
= + = + =
Chọn
2
I
= 40(mm)
min
109 2.2 40 153( )t mm
= + + =
- Tiết diện tháp:
2 2
3,14.1,5
1,766( )

4 4
D
F m
π
= = =
- Lượng hơi trung bình đi trong tháp:
'
'
6953,31 8480,88
3
7423,85( / )
0,794 1,285
tb tb
H Y
H H
g g
Q V m h
ρ ρ
+ +
= = = =
+ +
- Chiều cao khe chóp:
2
( . . )
.
Y Htb
Ltb
w
b
g

ζ ρ
ρ
=
ζ
: hệ số trở lực của đĩa chóp, chọn
ζ
=2.
2 2
4 4.7423,85
11,675( / )
3600 . . 3600.3,14.0,075 .40
Y
Y
h
V
m s
d n
ω
π
= = =
.
'
3
0,794 1,285
1,0395( / )
2 2
TB
H H
H
kg m

ρ ρ
ρ
+ +
= = =
.
'
3
957,85 934,58
946,22( / )
2 2
TB
L L
L
kg m
ρ ρ
ρ
+ +
= = =
.
2
2.11,675 .1,04
0,031.
9,81.946,22
b⇒ = =
- Chiều rộng khe chóp:
2 7( )a mm
= ÷
, chọn
2( )a mm
=

.
- Số lượng khe hở mỗi chóp:
2
4.
h
ch
d
i d
c n
π
 
 ÷
 
= −
Với :
3 4( )c mm
= ÷
là khoảng cách giữa các khe, chọn
3( )c mm
=
.
2
3,14 75
109 77( )
3 4.40
i khe
 
 ÷
 
= − =

(khe).
- Tiết diện ống hơi:
2
2
3 2
1
3,14.0,075
4,41.10 ( )
4 4
h
rj
d
S S m
π
−
= = = =
.
- Tiết diện vành khăn:
25