Thiết kế tháp mâm chóp chưng cất etanol nước

Thiết kế tháp mâm chóp chưng cất ethanol-nước
SVTH: Tô Thị Thanh
Loan
GVHD: Vũ Bá Minh
NH N XÉT ÁNẬ ĐỒ
Cán b h ng d n. Nh n xét: ộ ướ ẫ ậ
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
i m:Đ ể _________________________Ch ký:__________ữ
Cán b ch m hay H i đ ng b o v . Nh n xét:ộ ấ ộ ồ ả ệ ậ
_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
1
Thiết kế tháp mâm chóp chưng cất ethanol-nước
SVTH: Tô Thị Thanh

Loan
GVHD: Vũ Bá Minh
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
i m:Đ ể _________________________Ch ký:_______________ữ
i m t ng k t:Đ ể ổ ế _______________________________________
MỤC LỤC

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN … 5
1. Tổng quan về sản phẩm ………………………………………………………………7
2. Phương pháp và thiết bị chưng cất………………………………………………… 6
3. Công nghệ chưng cất hệ Etanol-Nước……………………………………………… 9
CHƯƠNG II : TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT - NĂNG LƯỢNG 12
1. Tính cân bằng vật chất 12
2. Tính cân bằng năng lượng 17
CHƯƠNG III :TÍNH TOÁN –THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT 20
1. Tính đường kính tháp chưng cất 20
2. Tính chiều cao tháp 26
3. Tính toán chóp và ống chảy chuyền 26
4. Tính trở lực tháp 31
CHƯƠNG IV : TÍNH TOÁN CƠ KHÍ CỦA THÁP 36
1 . Bề dày thân tháp 38
2 . Đáy và nắp thiết bị 38
3 . Bích ghép thân, đáy và nắp 36
4 . Đường kính các ống dẫn – Bích ghép các ống dẫn 40
5 . Tai treo và chân đỡ 45
CHƯƠNG V : TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT- THIẾT BỊ PHỤ 52
1 . Các thiết bị truyền nhiệt 52
2
Thiết kế tháp mâm chóp chưng cất ethanol-nước

SVTH: Tô Thị Thanh
Loan
GVHD: Vũ Bá Minh
1.1 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 52
1.2 Thiết bị trao đổi nhiệt giữa nhập liệu và sản phẩm đáy 57
1.3 Thiết gia nhiệt nhập liệu 65
1.4 Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy 70
1.5 Thiết gia ngưng tụ sản phẩm đỉnh 73
2. Tính toàn bơm nhập liệu 77
2.1 Tính chiều cao bồn cao vị 77
2.2 Chọn bơm 82
CHƯƠNG VI : GIÁ THÀNH THIẾT BỊ 85
CHƯƠNG VII : KẾT LUẬN 87
TÀI LIỆU THAM KHẢO 88
CHƯƠNG I : TỔNG QUAN
1. Tổng quan về sản phẩm
Nguyên liệu là hỗn hợp Etanol - Nước.
1.1 Etanol:
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.

Hình 1: Cấu trúc phân tử Etanol
3
Thiết kế tháp mâm chóp chưng cất ethanol-nước
SVTH: Tô Thị Thanh
Loan

GVHD: Vũ Bá Minh
+ Nhiệt độ sôi ở 760 mmHg: 78.3
o
C.
+ Khối lượng riêng: d
4
20
= 810 Kg/m
3
.
Ứng dụng: etanol có nhiều ứng dụng, nó đóng một vai trò quan trọng trong nền kinh tế quốc
dân. Nó là nguyên liệu dùng để sản suất nhiều mặt hàng khác nhau và được ứng dụng rộng rãi
trong các ngành: công nghiệp nặng, y tế, dược, quốc phòng, giao thông vận tải, dệt, chế biến gỗ
và nông nghiệp.
1.2 Nước:
-Nước là một hợp chất hóa học của Hydro và Oxy, công thức hóa học là H
2
O. Nước là một
chất quan trọng trong công nghiệp và đời sống, chiếm 70% diện tích của trái đất.

Hình 2: Cấu tạo phân tử nước
-Phân tử nước bao gồm hai nguyên tử hydro và một nguyên tử oxy. Về mặt hình học thì
phân tử nước có góc liên kết là 104,45°. Do các cặp điện tử tự do chiếm nhiều chỗ nên góc này
sai lệch đi so với góc lý tưởng của hình tứ diện. Chiều dài của liên kết O-H là 96,84 picomet.
-Nước có tính lưỡng cực, liên kết giữa các phân tử nước là liên kết hidro.
+Nhiệt độ sôi của nước :100
o
C ( ở 760mmHg)
+Nhiệt độ nóng chảy : 0
o

C ( ở 760mmHg)
1.3 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:
4
x(%phân
mol) 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
y(%phân
mol) 0
33,
2
44,
2
53,
1
57,
6
61,
4
65,
4
69,
9
75,
3
81,
8
89,
8 100
t(

o
C)
10
0
90,
5
86,
5
83,
2
81,
7
80,
8 80
79,
4 79
78,
6
78,
4
78,
4
Thiết kế tháp mâm chóp chưng cất ethanol-nước
SVTH: Tô Thị Thanh
Loan
GVHD: Vũ Bá Minh
Hình 3: Đồ thị cân bằng lỏng-hơi hệ Etanol-Nước
2. Phương pháp và thiết bị chưng cất:
2.1 . 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 cấu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt độ sôi nhỏ ), sản phẩm đáy chủ yếu
gồm cấu tử có độ bay hơi nhỏ (nhiệt độ sôi lớn) .Đối với hệ Etanol - Nước sản phẩm đỉnh
5
Thiết kế tháp mâm chóp chưng cất ethanol-nước
SVTH: Tô Thị Thanh
Loan
GVHD: Vũ Bá Minh
chủ yếu gồm etanol và một ít nước , ngược lại sản phẩm đáy chủ yếu gồm nước và một ít
etanol.
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, nhiều đoạn.

• Phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp:
 Sử dụng hơi nước để cấp nhiệt trực tiếp cho đáy tháp: khi chưng cất hỗn hợp
nhập kiệu thu được nước ở đáy tháp chưng cất, cấu tử còn lại đễ bay hơi thì
ta có thể sử dụng hơi nước để cấp nhiệt trực tiếp cho đáy tháp.
 Sử dụng nồi đun để cấp nhiệt cho tháp chưng cất: nồi đun cho tháp chưng cất
là thiết bị trao đổi nhiệt được đặt ở đáy tháp, để cung cấp nhiệt cho hệ thống.
Có các loại nồi đun cho tháp chưng cất:
- Thiết bị trao đổi nhiệt loại hai vỏ: dùng cho tháp chưng cất năng suất
nhỏ.
- Thiết bị trao đổ nhiệt dạng ốm chùm.
- Nồi đun đặt ngoài. Chất tải nhiệt nóng đi trong ống, hơi đi vào tháp cân
bằng với dòng sản phẩm đáy, do đó nồi đun được xem làm một mâm lý
thuyết. Dùng cho tháp chưng cất năng suất cao.
6
Thiết kế tháp mâm chóp chưng cất ethanol-nước
SVTH: Tô Thị Thanh
Loan
GVHD: Vũ Bá Minh
- Thiết bị trao đổi nhiệt đặt đứng. Chất tải nhiệt đi ngoài ống, bốc hơi
hoàn toàn phần lỏng đi vào nồi đun. Do đó, hơi có cùng thành phần với
dòng sản phẩm đáy.
- Thiết bị trao đổi nhiệt nhận dòng lỏng từ mâm đáy và nó chỉ bốc hơi
một phần.
Vậy: đối với hệ Etanol – Nước, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp
nhiệt gián tiếp bằng nồi đun đặt ngoài ở áp suất thường.
2.2 . 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 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 và nhược điểm của các loại tháp :
THÁP CHÊM THÁP MÂM XUYÊN
LỖ
THÁP MÂM
CHÓP
Ưu điểm - Đơn giản.
- Trở lực thấp.
- Hiệu suất tương đối cao.
- Làm việc với chất lỏng
bẩn.
- Hiệu suất cao.
Nhược điểm
- Hiệu suất thấp.
- Độ ổn định kém.
- Thiết bị nặng
- Trở lực khá cao. - Cấu tạo phức tạp.
7
Thiết kế tháp mâm chóp chưng cất ethanol-nước
SVTH: Tô Thị Thanh

Loan
GVHD: Vũ Bá Minh
► Đồ án này sử dụng tháp mâm chóp để chưng cất hỗn hợp Etanol-Nước .
3. Công nghệ chưng cất 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
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 . Thiết bị đun sôi dòng nhập liệu.
3 . Thiết bị trao đổi nhiệt.
4 . Baãy hôi
5 . Tháp chưng cất.
6 . Nồi đun.
7. Thiết bị ngưng tụ.
8 . Bộ phận chỉnh dòng.
9 . Thiết bị làm nguội.
10 . Bồn chứa sản phẩm đỉnh.
* Thuyết minh qui trình công nghệ:
Hỗn hợp etanol – nước có nồng độ etanol 11,6% ( theo phân mol), nhiệt độ khoảng 28

0
C
tại bồn chứa nguyên liệu (1) được bơm bơm vào thiết bị trao đổi nhiệt (3) ( trao đổi nhiệt
với sản phẩm đáy ). Sau đó, hỗn hợp được đun sôi đến nhiệt độ sôi trong thiết bị đun sôi (2),
rồi đưa vào tháp chưng cất ở đĩa nhập liệu.
Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn cất của tháp chưng cất (5)
chảy xuống. Trong tháp hơi, đi từ dưới lên gặp chất lỏng từ trên xuống. Ở đây, có sự tiếp
8
Thiết kế tháp mâm chóp chưng cất ethanol-nước
SVTH: Tô Thị Thanh
Loan
GVHD: Vũ Bá Minh
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 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 78,1% phân mol). Hơi này đi vào
thiết bị ngưng tụ (7) và được ngưng tụ hoàn toàn. Bộ phận chỉnh dòng (8) chia chất lỏng này
làm hai phần: một phần chất lỏng ngưng tụ đi qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh, được
làm nguội đến 35
0
C , rồi được đưa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh (10); phần còn lại của chất
lỏng ngưng tụ đựơc hoàn lưu về tháp chưng cất (5) ở đĩa trên cùng với tỉ số hoàn lưu tối ưu.
Một phần cấu tử ethanol có nhiệt độ sôi thấp được bốc hơi, còn lại cấu tử nước 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 0,1367%
phân mol, còn lại là nước. Dung dịch sản phẩm đáy đi ra khỏi tháp vào nồi đun (6) . 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 trao đổi nhiệt
(3). Sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt với nhập liệu có nhiệt độ là 60

0
C được thải bỏ.
CHƯƠNG II :TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT NĂNG LƯỢNG
1. Tính cân bằng vật chất
1.1 Các thông số ban đầu :
• Năng suất sản phẩm đỉnh: 1000 l/h = 1 m
3
• Nồng độ ethanol nhập liệu: 30% thể tích.
• Nồng độ sản phẩm đỉnh 92% thể tích.
• Tỷ lệ thu hồi rượu: 99%.
Ta có:
o Khối lượng phân tử của rượu và nước : M
R
=46 , M
N
=18 .
o Khối lượng riêng của ethanol nguyên chất ở 25
0
C: ρ
ethanol
= 784,75 (kg/m
3
)
o Khối lượng riêng của nước cất ở 25
0
C: ρ
nước
= 997,08 (kg/m
3
)

9
Thiết kế tháp mâm chóp chưng cất ethanol-nước
SVTH: Tô Thị Thanh
Loan
GVHD: Vũ Bá Minh
1.2. Tính toán các dòng:
 Tính toán dòng sản phẩm đỉnh:
Nồng độ ethanol sản phẩm đỉnh : 92% theo thể tích.
→ Trong 1 m
3
hỗn hợp ethanol –nước nhập liệu có 0,92 m
3
ethanol + 0,08 m
3
nước.
 0,3 m
3
ethanol nguyên chất có khối lượng 721,97 kg.
 0,7 m
3
nước nguyên chất có khối lượng 79,77 kg.
→ Trong 801,74 kg hỗn hợp ethanol – nước nhập liệu có 721,97 kg ethanol +79,77 kg
nước.
► Phân khối lượng ethanol trong dòng sản phẩm đỉnh: = = 0,901
► Phân mol ethanol trong dòng sản phẩm đỉnh:
= = = 0,781
► Khối lượng riêng trung bình của dòng sản phẩm đỉnh:
ρ
D
= . ρ

ethanol
+ (1- ) . ρ
nước
= 0,901 . 784,75 + (1 – 0,901) . 997,08
= 805,771 (kg/m
3
)
► Suất lượng sản phẩm đỉnh: 1 m
3
→ G
D
= 805,771 (kg/h)
► Khối lượng phân tử trung bình dòng sản phẩm đỉnh:
M
D
= = = 39,861 (kg/kmol).
► Suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo kmol/h:
D = = = 20,215 (kmol/h)
 Tính toán dòng nhập liệu:
Nồng độ ethanol nhập liệu : 30% theo thể tích.
→ Trong 1 m
3
hỗn hợp ethanol –nước nhập liệu có 0,3 m
3
ethanol + 0,7 m
3
nước.
 0,3 m
3
ethanol nguyên chất có khối lượng 235,425 kg.

 0,7 m
3
nước nguyên chất có khối lượng 697,956 kg.
→ Trong 933,381 kg hỗn hợp ethanol – nước nhập liệu có 235,425 kg ethanol + 697,956 kg
nước.
► Phân khối lượng ethanol trong dòng nhập liệu: = = 0,252
► Phân mol ethanol trong dòng nhập liệu:
10
Thiết kế tháp mâm chóp chưng cất ethanol-nước
SVTH: Tô Thị Thanh
Loan
GVHD: Vũ Bá Minh
= = = 0,116
► Suất lượng dòng nhập liệu
= 0,99 (Tỷ lệ thu hồi sản phẩm đỉnh)
→ G
F
= = 2910,052 (kg/h)
► Khối lượng phân tử trung bình dòng nhập liệu:
M
F
= = = 21,261 (kg/kmol).
► Suất lượng dòng nhập liệu tính tính theo kmol/h:
F = = = 137,163 (kmol/h)
 Tính toán dòng sản phẩm đáy:
o Cân bằng vật chất cho toàn tháp : G
F
= G
D
+ G

W
(II.1)
o Cân bằng cấu tử etanol (cấu tử nhẹ) : G
F
.

= G
D
. + G
W
.

(II.2)
→ G
W
= 2104,281 kg/h
→ = 3,485 .
► Phân mol dòng sản phẩm đáy:
= = = 1,367 .
► Khối lượng phân tử trung bình dòng sản phẩm đáy:
M
W
= = = 18,038 (kg/kmol).
► Suất lượng dòng nhập liệu tính tính theo kmol/h:
W = = = 116,658 (kmol/h)
Thông
số
Dòng
l/h Phần
thể tích

Phần
khối lượng Phần mol
kmol/h kg/h
M
tb
F
0,30 0,252 0,116 137,16
3
2910,025
21,261
D
1000 0,92 0,901 0,781 20,215 805,771
39,86
W
3,485 . 1,367 . 116,65
8
2104,281
18,038
11
Thiết kế tháp mâm chóp chưng cất ethanol-nước
SVTH: Tô Thị Thanh
Loan
GVHD: Vũ Bá Minh
• Chọn :
 Nhiệt độ nhập liệu trước gia nhiệt: 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
= 60
o
C .
 Trạng thái nhập liệu là trạng thái lỏng sôi .
→ Nhiệt độ nhập liệu : t’
F
= 86
o
C .
1.3 Tỉ số hoàn lưu:
1.3.1 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 .
Do đồ thị cân bằng của hệ Etanol-Nước có điểm uốn ,nên xác định tỉ số hoàn lưu tối
thiểu bằng cách :
+Trên đồ thị cân bằng y-x ,từ điểm (0,781;0,781) ta kẻ một đường thẳng tiếp tuyến với
đường cân bằng tại điểm uốn , cắt trục Oy tại điểm có y
o
= 0,43.
+Theo phương trình đường làm việc đoạn cất , khi x
o
= 0 thì
y

o
= = 0,43
Vậy : tỉ số hoàn lưu tối thiểu : R
min
= 0,82
1.3.2 Tỉ số hoàn lưu thực:
Công thức 6.12 trang 255 [2]
R = 1,3 . R
min
+ 0,3 = 1,3 . 0,82 + 0,3 = 1,366
1.4 Phương trình đường làm việc. Xác định số mâm.
1.4.1 Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất :
y = =
→ y = 0,577.x + 0,33
1.4.2. Xác định số mâm lý thuyết và số mâm thực tế:
Đồ thị xác định số mâm lý thuyết : N
lt
= 15 mâm
Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình :
12
Thiết kế tháp mâm chóp chưng cất ethanol-nước
SVTH: Tô Thị Thanh
Loan
GVHD: Vũ Bá Minh

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 :
Với : x :phân mol của rượu trong pha lỏng .
y
*
: phân mol của rượu trong pha hơi cân bằng với pha lỏng.
* Tại vị trí nhập liệu :
x
F
= 0,116 ta tra đồ thị cân bằng của hệ : y
*
F
= 0,46
t
F
= 86
o
C
= 6,492
Từ và t
F
= 86

o
C, tra tài liệu tham khảo [4(tập 1) – trang 107] :
→ µ
F
= 200 . 10
-6
. 9,81 = 1,962 . 10
-3
= 1,962 (cP)
Suy ra : α
F
.µ
F
= 6,492 . 1,962 = 12,737
Tra hình IX.11- trang 171 [4(tập 2)]: η
F
= 0,3
* Tại vị trí mâm đáy:
x
W
= 0,001367 ta tra đồ thị cân bằng của hệ : y
*
W
= 0,01
t
W
= 100
o
C
= 7,379

+ Từ và t
W
= 100
o
C, tra tài liệu tham khảo [4(tập 1) – trang
107]:
13
Thiết kế tháp mâm chóp chưng cất ethanol-nước
SVTH: Tô Thị Thanh
Loan
GVHD: Vũ Bá Minh
→ µ
W
= 29 . 10-6 . 9,81 = 2,845 . 10
-4
= 0,2845 (cP)
Suy ra : α
W
.µ
W
= 7,379 . 0,2845 = 2,099
Tra hình IX.11- trang 171 [4(tập 2)]: η
W
= 0,41
*Tại vị trí mâm đỉnh :
x
D
= 0,781 ta tra đồ thị cân bằng của hệ : y
*
D

= 0,8
t
D
= 79
o
C
+ = 1,122
+ Từ và t
D
= 79
o
C, tra tài liệu tham khảo [4(tập 1) – trang 107] :
→ µ
D
= 58.10
-6
.9,81= 0,569.10
-3
(N.s/m
2
)
= 0,569 (cP)
Suy ra : α
D
.µ
D
= 1,049.0,569 = 0,5969
Tra hình IX.11- trang 171 [4(tập 2)] : η
D
= 0,55

► Suy ra: hiệu suất trung bình của tháp :
η
tb
=
• Số mâm thực tế của tháp N
tt
:
= 35,71 mâm
Vậy chọn N
tt
= 36 mâm , gồm :
22 mâm cất
14 mâm chưng . Nhập liệu ở mâm số 14.
2. Tính cân bằng năng lượng:
Cân bằng nhiệt lượng cho toàn tháp chưng cất:
Q
F
+ Q
đ
= Q
nt
+ Q
W
+ Q
D
+ Q
m
(IV.1)
Trong đó:
►Q

nt
: nhiệt lượng ngưng tụ do hơi sản phẩm đỉnh ngưng tụ thành lỏng. Chọn hơi sản
phẩm đỉnh ngưng tụ hoàn toàn thành lỏng.
Q
nt
= G
D
. (R+1) . r
D
(kJ/h).
14
Thiết kế tháp mâm chóp chưng cất ethanol-nước
SVTH: Tô Thị Thanh
Loan
GVHD: Vũ Bá Minh
Xác định r
D
(ẩn nhiệt hoá hơi của sản phẩm đỉnh):
Tra ([7] – trang 38) ở t
D
= 79 ta có:
Ẩn nhiệt hoá hơi của nước: r
N
= 2316,245 (kJ/kg).
Ẩn nhiệt hoá hơi của rượu: r
R
= 848,075 (kJ/kg).
Suy ra: r
D
= r

R
. + r
N
. (1- ) = 848,075. 0,901 + 2316,245. (1-0,901)
= 993,424 (kJ/kg).
 Q
nt
= G
D
. (R+1) . r
D

= 805,771 . (1,366 + 1) . 993,424
= 1893917,343 (kJ/h).
► Q
F
: nhiệt lượng do hỗn hợp rượu nhập liệu mang vào tháp.
Q
F
= G
F
. H
F
=G
F
. c
F
. (t
F
–t

o
) (kJ/h).
Chọn nhiệt độ chuẩn: t
o
= 20
o
C.
Ở
o
C , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)],
→ Nhiệt dung riêng của rượu: c
R
= 2879 (J/kg.độ).
→ Nhiệt dung riêng của nước: c
N
= 4183,414 (J/kg.độ).
Suy ra: c
F
= . c
R
+ (1- ) . c
N
= 0,252 . 2879 + (1-0,252) . 4183,414 = 3854,702 (J/kg.độ).
 Q
F
= G
F
. H
F
= G

F
. c
F
. (t
F
–t
o
)
= 2910,025 . 3854,702 . (86 - 20) = 740340426 (J/h)
= 740340,426 (kJ/h)
► Q
W
: nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra từ nồi đun.
Q
W
= G
W
. H
W
= G
W
. c
W
. (t
W
–t
o
) (kJ/h).
Chọn nhiệt độ chuẩn: t
o

= 20
o
C.
Ở = = 60
o
C , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)–trang 172+165]
→ Nhiệt dung riêng của rượu: c
R
= 2760 (J/kg.độ).
→ Nhiệt dung riêng của nước: c
N
= 4186,093 (J/kg.độ).
Suy ra: c
W
= . c
R
+ (1- ) . c
N
= 0,003485 . 2760 + (1 - 0,003485) . 4186,093
15
Thiết kế tháp mâm chóp chưng cất ethanol-nước
SVTH: Tô Thị Thanh
Loan
GVHD: Vũ Bá Minh
= 4181,957 (J/kg.độ).
 Q
W
= G
W
. H

W
= G
W
. c
W
. (t
W
–t
o
)
= 2104,281 . 4181,957 . (100 - 20) = 704001012 (J/h)
= 704001,012 (kJ/h)
► Q
D
: nhiệt lượng do sản phẩm đỉnh mang ra từ bộ phận tách hoàn lưu.
Q
D
= G
D
. H
D
= G
D
. c
D
. (t
D
–t
o
) (kJ/h).

Chọn nhiệt độ chuẩn: t
o
= 20
o
C.
Ở
o
C,tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)–trang 172+165]
→ Nhiệt dung riêng của rượu: c
R
= 2833,5 (J/kg.độ).
→ Nhiệt dung riêng của nước: c
N
= 4182,263 (J/kg.độ).
Suy ra: c
D
= . c
R
+(1- ) . c
N
= 0,901 . 2833,5+(1 - 0,901). 4182,263 = 2967,064 (J/kg.độ).
 Q
D
= G
D
. H
D
= G
D
. c

D
. (t
D
–t
o
)
= 805,771 . 2967,064 . (79 - 20) = 141055674 (J/h)
= 141055,674 (kJ/h)
► Q
m
: Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh.
Chọn: Q
m
= 0,05.Q
đ

► Q
đ
: Nhiệt lượng cần cung cấp cho nồi đun ở đáy tháp:
Q
F
+ Q
đ
= Q
nt
+ Q
W
+ Q
D
+ Q

m
(IV.1)
 Q
đ
= .( Q
nt
+ Q
W
+ Q
D
– Q
F
)
= (1893917,343 + 704001,012 + 141055,674 - 740340,426)
= 2103824,846 (kJ/h) = 584,396 (kW).
16
Thiết kế tháp mâm chóp chưng cất ethanol-nước
SVTH: Tô Thị Thanh
Loan
GVHD: Vũ Bá Minh
CHƯƠNG III :TÍNH TOÁN –THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT .
1. Đường kính tháp (D
t
)
(m)
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 .
1.1 Đường kính đoạn cất :
1.1.1 Lượng hơi trung bình đi trong tháp :
(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) = 20,215 . (1,366+1) = 46,804 (kmol/h)
x
D
= 0,781
Tra ở đồ thị đường cân bằng lỏng hơi
→ y
D
= 0,805
→ = = = 0,913

→ M
hơiD
= = = 40,517 (kg/kmol)
► g
d
= 46,804 (kmol/h) = 1896,358 (kg/h)
• Xác định g
1
: Từ hệ phương trình :
g
1
= G
1
+ G
D
g
1
. = G
1
. + G
D
. (III.1)
g
1
. r
1
= g
d
. r
d

Với : G
1
: lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn cất .
17
Thiết kế tháp mâm chóp chưng cất ethanol-nước
SVTH: Tô Thị Thanh
Loan
GVHD: Vũ Bá Minh
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
= 86
o
C , tra bảng 45 [7]-trang 38
→ Ẩn nhiệt hoá hơi của nước : r
N1
= 2293,61 (kJ/kg)
→ Ẩn nhiệt hoá hơi của rượu : r
R1
= 836,35 (kJ/kg)

► r
1
= r
R1
.

+ (1-) . r
N1
= 836,35

.

+ (1-) . 2293,61
= 2293,61 – 1457,26 . (kJ/kg)
* Tính r
d
: t
D
= 79
o
C , tra bảng 45 [7]-trang 38
→ Ẩn nhiệt hoá hơi của nước : r
Nd
= 2311,215 (kJ/kg) .
→ Ẩn nhiệt hoá hơi của rượu : r
Rd
= 848,075 (kJ/kg) .
► r
d
= r

Rd
.

+ (1 - ) . r
Nd
= 848,075 . 0,913 + (1- 0,913) . 2311,215
= 975,368 (kJ/kg)
* Ta coi: = = 0,252
Giải hệ (III.1) , ta được :
G
1
= 1661,515 (kg/h)

= 0,81 (phân khối lượng etanol)
→ = = = 0,625 (phân mol ethanol)
g
1
= 2467,286 (kg/h)
►
= (kg/h)
1.1.2 Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp :
(
ρ
y
.
ω
y
)
tb
= 0,065 (kg/m

2
.s) - Công thức IX.105 trang 184 [4]
• ρ
ytb
: Khối lượng riêng trung bình của pha hơi

Với: + Nồng độ phân mol trung bình pha hơi : y
tb
= = = 0,715
18
Thiết kế tháp mâm chóp chưng cất ethanol-nước
SVTH: Tô Thị Thanh
Loan
GVHD: Vũ Bá Minh
+ Nhiệt độ trung bình đoạn cất : t
tb
= = = 82,5
o
C
► =

= 1,303 (kg/m
3
).
• ρ
xtb
: Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng
+ Nồng độ phân khối lượng trung bình pha lỏng:
= = = 0,5765
+ Nhiệt độ trung bình đoạn cất : t

tb
= = = 82,5
o
C
Tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)-trang 9]
→ Khối lượng riêng của nước : ρ
N
= 970,25 (kg/m
3
)
→ Khối lượng riêng của rượu : ρ
R
= 732,625 (kg/m
3
)
► ρ
xtb
= =
= 817,406 (kg/m
3
)
• : Hệ số tính đến sức căng bề mặt
-Khi

< 20 dyn/cm thì = 0,8
-Khi > 20 dyn/cm thì = 1
Trong đó, được tính theo công thức I.76 trang 299 [4]- tập 1 :

σ
r

, σ
n
: Sức căng bề mặt của ethanol

và nước ở nhiệt độ làm việc (dyn/cm)
 t
tb
= 82,5
0
C , tra bảng I.242 trang 300 [4]- tập 1
+ Sức căng bề mặt của nước : σ
N
= 60,925 (dyn/cm).
+ Sức căng bề mặt của rượu : σ
R
= 16,85 (dyn/cm).
→ =13,119 dyn/cm < 20 dyn/cm
► = 0,8
19
Thiết kế tháp mâm chóp chưng cất ethanol-nước
SVTH: Tô Thị Thanh
Loan
GVHD: Vũ Bá Minh
• h : khoảng cách mâm ( m ), chọn h = 0,3 m
 ( ρ
y
.ω
y
)
tb

= 0,065
= 0,065 . 0,8 .
= 0,93 (kg/m
2
.s)
→ ω
y
= 0,93/ 1,303 = 0,714 (m/s)
► Đường kính đoạn cất :
D
cất
= = 0,911 (m).
1.2 Đường kính đoạn chưng :
1.2.1 Lượng hơi trung bình đi trong tháp :
(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
= 2467,286 (kg/h)
• Xác định g’
1

: Từ hệ phương trình :
(III.2)
Với : G
’
1
: lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn chưng .
r’
1
: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng.
* Tính r’
1
: x
W
=0,001367 tra đồ thị cân bằng của hệ ta có :
y
W
=0,01 → = = = 0,0252
t’
1
= t
W
= 100
o
C , tra bảng 45 [7]-trang 38
→ Ẩn nhiệt hoá hơi của nước : r’
N1
= 2258 (kJ/kg) .
→ Ẩn nhiệt hoá hơi của rượu : r’
R1
= 812,9 (kJ/kg) .

► r’
1
= r’
R1
.

+ (1 - ) . r’
N1
= 812,9. 0,0252+ (1 – 0,0252) . 2258
20
Thiết kế tháp mâm chóp chưng cất ethanol-nước
SVTH: Tô Thị Thanh
Loan
GVHD: Vũ Bá Minh
= 2221,583 (kJ/kg)
* Tính r
1
: r
1
= 2293,61 – 1457,26 . = 2293,61 – 1457,26 . 0,81
= 1118,089 (kJ/kg)
* G
W
= 2104,281 (kg/h)
Giải hệ (III.2) , ta được :
= 0,0107 (phân khối lượng ethanol)
→ = = = 0,00421 (phân mol ethanol)
G
’
1

= 3346,029 (kg/h)
g’
1
= 1241,748 (kg/h)
► =
(kg/h)
1.2.2 Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp :
Xác định ρ'
xtb,
ρ'
ytb:
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
:

Với: + Nồng độ phân mol trung bình : y’
tb
= = =0,323
+ Nhiệt độ trung bình đoạn chưng : t’
tb

= = = 93
o
C
► =
= 0,901 (kg/m
3
).
• Xác định ρ’
xtb
:
21
Thiết kế tháp mâm chóp chưng cất ethanol-nước
SVTH: Tô Thị Thanh
Loan
GVHD: Vũ Bá Minh
+ Nồng độ phân mol trung bình pha lỏng : = = = 0,128
+ Nhiệt độ trung bình đoạn cất : t’
tb
= = = 93
o
C
Tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)-trang 9], ta có :
→ Khối lượng riêng của nước : ρ’
N
= 962,9(kg/m
3
)
→ Khối lượng riêng của rượu : ρ’
R
= 722,65(kg/m

3
)
► ρ’
xtb
= =
= 923,597 (kg/m
3
)
• : Hệ số tính đến sức căng bề mặt
-Khi

< 20 dyn/cm thì = 0,8
-Khi > 20 dyn/cm thì = 1
Trong đó, được tính theo công thức I.76 trang 299 [4]- tập 1 :

 t’
tb
= 93
0
C , tra bảng I.242 trang 300 [4]- tập 1
+ Sức căng bề mặt của nước : σ’
N
= 57,7 (dyn/cm).
+ Sức căng bề mặt của rượu : σ’
R
= 14,87 (dyn/cm).
→ = 11,823 (dyn/cm) < 20 (dyn/cm)
► = 0,8
• h : khoảng cách mâm ( m ), chọn h = 0,3 m
 ( ρ

y
.ω
y
)
tb
= 0,065
= 0,065 . 0,8 .
= 0,822 (kg/m
2
.s)
→ω
y
= 0,773/0,772 = 1,00 (m/s)
► Đường kính đoạn cất :
D
chưng
= = 0,893 (m).
22
Thiết kế tháp mâm chóp chưng cất ethanol-nước
SVTH: Tô Thị Thanh
Loan
GVHD: Vũ Bá Minh
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
= 1 (m).
Khi đó tốc độ làm việc thực ở :
+ Phần cất : ω
lv
= = 0,592 (m/s).

+ Phần chưng : ω’
lv
= (m/s).
2. Chiều cao tháp :
• Chiều cao tháp được xác định theo công thức sau :
H = N
tt
. ( H
đ
+ δ ) + ( 0,8 ÷ 1,0 ) ( m )
Với N
tt
: số đĩa thực tế 36
δ : chiều dày của mâm, chọn δ = 4 ( mm ) = 0.004 ( m )
H
đ
: khoảng cách giữa các mâm ( m ) , chọn theo bảng IX.4a- [4]-tập 2i,
→ H
đ
= 0.3 ( m )
( 0,8 ÷ 1,0 ) : khoảng cách cho phép ở đỉnh và đáy tháp → 0,9
 H = 36 . ( 0,3 + 0, 004 ) + 0,9 = 11,844 ( m )
3. Tính toán chóp và ống chảy chuyền [4] - tập 2, trang 236
• Chọn đường kính ống hơi d
h
= 50 ( mm ) = 0.05 ( m )
• Số chóp phân bố trên đĩa:
n = 0.1 . = 0.1 . = 40 ( chóp )
( D : đường kính trong của tháp )
• Chiều cao chóp phía trên ống dẫn hơi :

h
2
= 0,25 . d
h
= 0,25 . 0,05 = 0.0125 (m)
• Đường kính chóp:
d
ch
=
δ
ch
: chiều dày chóp, chọn bằng 2 (mm)
23
Thiết kế tháp mâm chóp chưng cất ethanol-nước
SVTH: Tô Thị Thanh
Loan
GVHD: Vũ Bá Minh
⇒ d
ch
=

= 73,6 (mm)
► Chọn d
ch
= 80 (mm)
• Khoảng cách từ mặt đĩa đến chân chóp :
S = 0 ÷25 ( mm )
► Chọn S = 12,5 (mm)
• Chiều cao mực chất lỏng trên khe chóp :
h

1
= 15 ÷ 40 (mm)
► Chọn h
1
= 30 (mm)
• Tiết diện tháp :
F = π . D
2
/4 = π = 0,785 ( m
2
)
• Chiều cao khe chóp :
b =
• : hệ số trở lực của đĩa chóp ξ = 1,5 ÷2 → Chọn ξ = 2
• ω
y
=
 V
y
: lưu lượng hơi đi trong tháp
V
y
= = = 2065,709 (m
3
/h)
→ ω
y
= =
= 7,306 (m/s)
 = = = 870,502 (kg/m

3
)
 = = = 1,102 (kg/m
3
)
► b = =
= 0,014 (m) = 14 (mm)
 Chọn b = 20 ( mm )
• Số lượng khe hở của mỗi chóp:
i = . ( d
ch
– )
 c = 3 ÷ 4 mm ( khoảng cách giữa các khe )
→ Chọn c = 4 ( mm )
24
Thiết kế tháp mâm chóp chưng cất ethanol-nước
SVTH: Tô Thị Thanh
Loan
GVHD: Vũ Bá Minh
 d
ch
: đường kính chóp = 80 (mm)
 d
h
: đường kình ống hơi = 50 (mm)
► i = . ( d
ch
– ) =
= 38,288 (khe)
 Chọn i = 39 khe

• Đường kính ống chảy chuyền:
d
c
=
 G
x
: lưu lượng lỏng trung bình đi trong tháp (kg/h)
G
x
= = = 2503,772 (kg/h)
 z : số ống chảy chuyền
→ Chọn z =1
 ρ
x
: khối lượng riêng trung bình của lỏng (kg/m
3
)
ρ
x
= = = 870,502 (kg/m
3
)
 ω
c
: tốc độ chất lỏng trong ống chảy chuyền (m/s)
→ Chọn ω
c
= 0,2 (m/s)
► d
c

= =
= 0,0717 (m)
• Khoảng cách từ dĩa đến chân ống chảy chuyền:
S
1
= 0,25 . d
c
= 0,25 . 0,0717 = 0,179 (m)
• Chiều cao ống chảy chuyền trên đĩa:
h
c
= (h
1
+ b + S) – Δh
 h
1
: Chiều cao mức chất lỏng trên khe chóp = 30 (mm)
 b : Chiều cao khe chóp = 20 (mm)
 S : Khoảng cách từ mặt đĩa đến chân chóp = 12,5 (mm)
 Δh : Chiều cao mực chất lỏng ở bên trên óng chảy chuyền
Δh =
25