Đồ án môn học quá trình và thiết bị: Thiết kế tháp mâm chóp chưng cất hỗn hợp NướcEtilenglicol

Mục Lục
Mở đầu:
Trong ngành công nghiệp hóa chất để nâng cao độ tinh khiết sản phẩm ta thường dùng
các phương pháp như cô đặc, hấp thu, chưng cất Tùy theo các yêu cầu sản phẩm và tính
kinh tế mà ta chọn lựa phương pháp phù hợp nhất.
Với hỗn hợp Nước-Etilenglicol là hai cấu tử tan lẫn hoàn toàn, ta dùng phương
pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết của sản phẩm mong muốn.
Đồ án môn học quá trình và thiết bị 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 toán cụ thể về: quy trình công nghệ, kết cấu, giá thành của một thiết bị
trong sản xuất hóa chất-thực phẩm-sinh học. Đây là bước tập dược đầu tiên về 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 thông qua đồ án môn học này.
Nhiệm vụ của đồ án này là Thiết kế tháp mâm chóp chưng cất hỗn hợp
Nước-Etilenglicol với số liệu ban đầu:
Trang 1
- Năng suất nhập liệu: 1500kg/h
- Nồng độ nước trong dòng nhập liệu: 15% phân mol
- Nồng độ etilenglicol trong dòng sản phẩm: 99% phân mol
- Các thông số khác sinh viên tự chọn.
Chương 1: Tổng Quan
1. Tổng quan về sản phẩm
Nguyên liệu đầu vào là hỗn hợp Nước-Etilenglicol với số liệu cho ở trên.
1.1 Nước:
1.1.1 Sơ lược
Hình 1: Cấu trúc không gian của H
2
O
Trang 2
- Nước là một hơp chất hóa học của Hydro và Oxy, công thức hóa học: H
2

O.
Nước là một chất quan trọng trong công nghiệp và đời sống, chiếm 70% diện
tích trên trái đất.
- Bên cạnh nước thông thường còn có nước nặng và nước siêu nặng. Ở các loại
nước này, các nguyên tử hydro bình thường được thay thế bởi các đồng vị
đơteri và triti. Nước nặng có tính chất vật lý(điểm nóng chảy cao hơn, nhiệt độ
sôi cao hơn, khối lượng riêng cao hơn) và tính chất hóa học khác với nước
thường.
1.1.2 Cấu tạo và tính chất của phân tử nước
1.1.2.1 Hình học của phân tử nước
Phân tử nước bao gồm hai nguyên tử hydro và một nguyên tử oxy. Trong
không gian phân tử nước có góc liên kết là 104,45
o
. Do các cặp điện tử tự do
chiếm nhiều chỗ nên sai lệch đi so với góc lý tưởng của hình tứ diện. Chiều dài
liên kết O-H là 86,84 picomet.
1.1.2.2 Liên kết hydro
Các phân tử nước tương tác lẫn nhau thông qua liên kết hydro và nhờ vậy lực hút
phân tử lớn.
Hình 2: Các phân tử nước tạo liên kết hydro liên phân tử
- Nước có tính lưỡng cực
- Nhiệt độ sôi của nước: 100
o
C (ở 760 mmHg)
- Nhiệt độ nóng chảy của nước: 0
o
C (ở 760 mmhg)
1.2 Etilenglicol
Trang 3
1.2.1 Giới thiệu chung

Hình 3: Cấu trúc không gian Etilenglicol
Etilenglicol, 1,2-ethanediol, có công thức cấu tạo: HOCH
2
CH
2
OH, khối lượng phân tử
M
EG
= 62 (g/mol). Với tên thường gọi là Glycol là một loại rượu hai nhóm chức đơn giản
nhất. Được sản xuất đầu tiên bởi WUZT bằng cách cho phản ứng giữa 1,2-dibromoethan
với CH
3
COOAg để tạo sản phẩm dietilen acetat ester, sau đó sử dụng H
2
phân hủy ester
đó thành etilenglicol.
1.2.2 Tính chất vật lý của etilenglicol
Etilenglicol là chất lỏng không màu, không mùi và có vị ngọt, háo nước và có thể tan
hoàn toàn trong rất nhiều dung môi phân cực như nước, rượu và aceton. Tuy nhiên đối
với các dung môi không phân cực như Benzen, Toluen, cloroform khả năng hoàn tan
Etilenglicol (EG) không cao lắm.
Một số thông số vật lý:
- Nhiệt độ điểm sôi (tại 101325 Pa): 197,60
o
C
- Điểm nóng chảy: -13
o
C
- Khối lượng riêng tại 20
o

C : 1,1135 g/ml
Etilenglicol rất khó kết tinh bởi dịch của nó có tính nhớt rất cao, tuy nhiên khi ta làm lạnh
dung dịch sẽ đóng rắn tao thành sản phẩm có trạng thái giống thủy tinh.
Ứng dụng lớn nhất của EG là sử dụng làm chất chống đông vì nó có khả năng hạ
nhiệt độ đông đặc xuống thấp hơn 0
o
C khi hòa trộn với nước.
1.2.3 Tính chất hóa học
Etilen glicol có tính chất hóa học của một rượu hai chức thông thường. Với hai nhóm
chức cạnh nhau cho phép xảy ra phản ứng đóng vòng ete hay thực hiện phản ứng trùng
ngưng ra những polyeste với các acid đa chức có vai trò rất quan trọng trong công nghiệp.
Một số phản ứng đặc trưng như:
Trang 4
-Phản ứng oxy hóa
-Phản ứng tạo ete và ester hóa
-Phản ứng epoxy
-Phản ứng tạo 1,3- dioxan
1.2.4 Sản xuât etilenglicol trong công nghiệp
Trong công nghiệp người ta sản xuất Etilenglicol qua một số quá trình sau:
-Sản xuất EG qua quá trình Clohydrin
-Sản xuất EG tử C
1
.
-Oxy hóa trực tiếp Etilen
-Thủy phân Etilen Oxit
1.3 Phương pháp và thiết bị chưng cất
1.3.1 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 đô 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 là 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 sẽ thu
được 2 sản phẩm: sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu từ 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 2 cấu tử Nước – Etilenglicol
- Sản phẩm đỉnh là: Chủ yếu là Nước và một ít là Etilenglicol
- Sản phẩm đáy là: Chủ yếu là Etilenglicol và một ít là 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 đô 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)
o Chưng cất gián đoạn(chưng đơn giản): phương pháp này được 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.
o Chưng cất hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục) là quá
trình được thưc hiện liên tục, nghịch dòng, nhiều đoạn.
• Phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp:
Trang 5
o Sử dụng hơi nước để cấp nhiệt trực tiếp cho đáy tháp: khi chưng cất hỗn
hợp nhập liệu thu được nước ở đáy tháp chưng cất, cấu tử còn lại dễ bay hơi
thì ta có thể sử dụng hơi nước để cấp nhiệt trực tiếp cho đáy tháp.
o 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 đổi nhiệt dạng ống 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 là một mâm lý thuyết. Dòng cho
tháp chưng cất năng suất cao.
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 nhân dòng lỏng từ mâm đáy và nó chỉ bốc hơi một phần:
Đối với hệ Nước-Etilenglicol ta chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp nhiệt gián tiếp
bằng nồi đun ở áp suất thường.
1.3.2 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.
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 phu, ở đây ta khảo sát 2 loại thường dùng là tháp
mâm và tháp chêm.
-Tháp mâm: thân hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có cấu tạo khác
nhau, trên đó pha lỏng và pha hơi được tiếp xúc với nhau. Tùy theo cấu tạo của
đĩa, ta có:
o Tháp mâm chóp: trên mâm bố trí có chóp dạng tròn, xupap, chữ S
o 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 môt trong hai phương pháp: xếp
ngẫu nhiên hay xếp thứ tự.
So sánh ưu nhược điểm của các loại tháp;
Tháp chêm Tháp xuyên lỗ Tháp mâm chóp

Ưu điểm - Cấu tạo khá đơn giản
- Trở lực thấp
- Làm việc được với chất
- Trở lực tương đối
thấp
- Hiệu suất khá cao
- Khá ổn định
- Hiệu suất cao
Trang 6
lỏng bẩn nếu dùng đệm
cầu có ρ≈ρchất lỏng
Nhược 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 nặng nề
- Không làm việc
được với chất lỏng
bẩn.
- Kết cấu khá phức
tạp
- Trở lực lớn
- Tiêu tốn vật tư,
kết cấu phức tạp
Yêu cầu đồ án ta sử dụng tháp mâm chóp để chưng cất Nước-Etilenglicol.

Chương 2. Sơ đồ quy trình công nghệ
Chú thích các kí hiệu trong quy trình:
1. Bồn chứa nguyên liệu
2. Bơm
3. Bồn cao vị
4. Thiết bị đung sôi dòng nhập liệu
5. Bẩy hơi
6. Lưu lượng kế
7. Nhiệt kế
8. Tháp chưng cất
9. Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh
10. Áp kế
11. Thiết bị đung sôi đáy tháp
12. Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy
13. Bồn chứa sản phẩm đáy
14. Bộ phận chia dòng
15. Bồn chứa sản phẩm đỉnh
Trang 7
Trang 8
SVTH
GVHD
CNBM
Chức năng
Nguy ễn Đức Trung
Trần Tấn Việt
Lê Thò Kim Phụng
Họ tên
Chữ ký
Tỉ lệ:
Bản vẽ số:

Ngày HT:
Ngày BV:
Đồ án môn học: Quá trình và Thiết bò
THIE ÁT KẾ THÁP CHƯNG CẤT HỖN HP NƯỚC - ETILENGLICOL LOẠI MÂM CHÓP NĂNG SUẤT 1500 KG/H
Trường Đại học Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh
Khoa Kỹ Thua ät Hóa Học
BỘ MO ÂN Qua ù Trình và Thiết Bò
STT
TÊN GỌI
ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT
SL
VẬT LIỆU
Nước làm lạnh
t=27
o
C
t=40
o
C
Nước ngưng
Nước ngưng
Hơi bão hòa
P=20at
Hơi bão hòa
P=20at
Nước làm lạnh
t=27
t=37
o
C

o
C
T
T
T
P
1
2
3
4
5
6
8
7
9
10
11
12
13
14
15
Bồn chứa nguyên liệu
Bơm
Bồn cao vò
Thiết bò đun sôi dòng nhập liệu
1
2
3
4
5

6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Bẫy hơi
Lưu lượng kế
Nhiệt kế
Tháp chưng cất
Thiết bò ngưng tụ sản phẩm đỉnh
Áp kế
Thiết bò đun sôi đáy tháp
Thiết bò làm n guội sản phẩm đáy
Bồn chứa sản phẩm đáy
Bộ phận chia dòng
Bồn ch ứa sản phẩm đỉnh
1/2
25/11
21/12
QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
(Hình 4: Bản vẽ quy trình cơng nghệ)
Trang 9
Quy trình:
Hỗn hợp Nước-Etilenglicol năng suất nhập liệu đầu 1500kg/h có nồng độ nước 15% phân
mol, nhiệt độ khoảng 27

o
C tại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm lên bồn cao
vị (3). Sau đó, hỗn hợp được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi trong thiết bị đun sôi dòng nhập
liệu (4) rồi đưa vào tháp chưng (8) 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. Ơ 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 , pha hơi tạo nên từ nồi đun (11) lôi cuốn cấu tử dễ
bay hơi. Nhiệt độ càng lên cao càng thấp, nên khi hơi đi qua các đĩa từ dưới lên thì cấu tử
có nhiệt độ sôi cao là Etilenglicol sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu hỗn hợp
cấu tử nước chiếm nhiều nhất (nồng độ 99% theo phân mol). Hơi nước đi vào thiết bị
ngưng tụ (9) và được ngưng tụ hoàn toàn. Một phần của chất lỏng ngưng tụ được hoàn
lưu về tháp ở đĩa trên cùng. Một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp được bốc hơi còn lại cấu
tử có nhiệt độ sôi cao trong chất lỏng ngày càng tăng. Cuối cùng, ở đáy tháp ta thu được
hỗn hợp lỏng hầu hết là cấu tử khó bay hơi (Etilenglicol). Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độ
nước là 1% theo phần mol, còn lại là Etilenglicol. Dung dịch lỏng ở đáy đi ra khỏi tháp
vào nồi đun (11). 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 đi qua thiết bị làm nguội sản phẩm
đáy (12), được làm nguội 40
o
C, rồi đưa qua bồn chứa sản phẩm đáy (13).
Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là nước được thải bỏ, sản phẩm đáy là
Etilenglicol được giữ lại.
Chương 3: Cân Bằng Vật Chất Năng Lượng
3.1 Những thông số và quy ước ban đầu
Chọn loại tháp là tháp mâm chóp
Trang 10
Hỗn hợp:
- Nước : H
2

O, M
N
=18 (g/mol)
- Etilenglycol: HOCH
2
CH
2
OH:, M
EG
=62 (g/mol)
Thông số ban đầu:
- Năng suất nhập liệu: G
F
= 1500 (kg/h)
- Nồng độ nhập liệu: x
F
= 0,15 (mol nước/ mol hỗn hợp)
- Nồng độ sản phẩm đỉnh chọn: x
D
= 0,99 (mol nước/ mol hỗn hợp)
- Nồng độ sản phẩm đáy: x
W
= 0,01 (mol nước/ mol hỗn hợp)
- Chọn:
o Nhiệt độ dòng nhập liệu: t
f
= 27
o
C.
o Trạng thái nhập liệu là trạng thái lỏng sôi.

o Chọn hơi đốt là hơi nước ở P
h
= 20 at
- Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy:
o Nhiệt độ sản phẩm sau khi làm nguội: t
W
= 40
o
C
o Nhiệt độ dòng nước lạnh đi vào : t
V
= 27
o
C
o Nhiệt độ dòng nước lạnh đi ra: t
R
= 40
o
C
- Trong đồ án này ta quy ước các ký hiệu sau:
o G
F
, F : suất lượng nhập liệu tính theo kg/h, kmol/h
o G
D
, D: suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo kg/h, kmol/h
o G
W
, W: suất lượng sản phẩm đáy tính theo kg/h, kmol/h
o x

i
, x
i
’: nồng độ phần mol, phần khối lượng của cấu tử i.
o M
i
: khối lượng mol trung bình ở dòng thứ i
3.2 Cân bằng vật chất
M
F
= x
F
.M
N
+ (1-x
F
).M
EG
= 0,15.18 + (1 – 0,15).62 = 55,4(kg/kmol)
(kmol/h)
(kmol/h)
(kmol/h)
(Khối lượng nước/khối lượng hỗn hợp)
Bảng 3.1: Tính toán tương tự ta có bảng số liệu sau:
kg/h kmol/h phần mol phần KL M
i
(g/mol)
F 1500 27.08 0.15 0.0487 55.4
D 71.325 3.87 0.99 0.9664 18.44
Trang 11

W 1428.7 23.21 0.01 0.0029 61.56
3.3 Xác định tỉ số hoàn lưu làm việc, mâm lý thuyết, mâm thực tế
Tỉ số hoàn lưu làm việc tối thiểu:
Ơ đây y
*
F
được xác định từ đồ thị đường cân bằng X-Y từ x
F
.
x
F
= 0,15 ta tìm được y
*
F
= 0,77

R=1,3
Rmin
+ 0,3 = 1,3.0,355 + 0,3 = 0,762.
Phương trình đường làm việc phần luyện:
Phương trình làm việc phần chưng:
Trong đó:
Vậy phương trình đường chưng là:
 y = 4,405x – 0,034
Bảng 3.2: Bảng số liệu ta dựng đường cân bằng x-y
x y t
0 0 197
0.154 0.949 130.1
0.277 0.974 120.5
0.378 0.984 114.3

Trang 12
0.463 0.988 110.8
0.596 0.992 106.3
0.697 0.995 103.5
0.775 0.995 103.2
0.838 0.998 101.5
0.889
0.998
5 101
0.932
0.999
1 100.6
1 1 100
Trang 13
Trang 14
- Xác định số đĩa lý thuyết-thực tế
o Từ điểm x
D
ta dựng đường thẳng song song với trục Oy cắt đường 45
o
tại
điểm a.
o Xác định đường làm việc phần chưng: ta xác định điểm b trên trục Oy có
tọa độ bằng . Sau đó ta nối điểm a với điểm b ta có đường làm việc phần
luyện.
o Vẽ đường nhập liệu: do nhập liệu là lỏng sôi nên từ x
F
ta kẻ đường song
song với Oy cắt đường làm việc tại điểm c.
o Vẽ đường làm việc phần cất: từ điểm x

W
ta vẽ đường thẳng qua điểm c (giao
điểm đường làm việc phần chưng và đường nhập liệu).
o Xác định số đĩa lý thuyết: Từ điểm a ta vẽ đường song song với trục Ox cắt
đường cân bằng tại một điểm, rồi từ giao điểm đó ta vẽ đưởng thẳng song
song với trục Oy gặp đường nồng độ làm việc ở một điểm khác. Cứ tiếp tục
vẽ các đường song song như vậy cho tới khi đến điểm có tọa độ x≤x
W
thì
dừng lại. Kết quả ta nhận được 1 đường gấp khúc. Số tam giác tạo thành
giữa đường gấp khúc và đường nồng độ làm việc là số đĩa lý thuyết.
o Ta xác định được 6 đĩa lý thuyết và nhập liệu ở đĩa số 3.
- Xác định mâm thực tế
o Xác định độ bay hơi tương đối ở các đĩa 1, đĩa 3 và đĩa 6, kí hiệu α
i
tương
ứng với độ bay hơi tương đối cho các đĩa kể trên.
o Xác định độ nhớt – xác định hiệu suất mâm
Bảng 3.3: bảng số liệu tính toán
Trang 15
µ
i
μ
tb
α
i
µ
tb
.
i

η
i
Nước
F
0.2769
0.2845 5,04 0.1886 0.463
EG 1.6
Nước
D
0.1769
0.316 18.97 5.9945 0.583
EG 0.35
Nước
W
0.1438
0.15 7.61 1.1415 0.5
EG 0.15
μ
tb
tính theo công thức: công thức (I.12), trang 84, [5])
η
i
xác định dựa trên tích μtb.αi và dựa vào đồ thị H.5.24 trang 125 [2] xác định hiệu suất
mâm.
- Số mâm thực tế phần luyện là  chọn số mâm thực tế là 4
- Số mâm thực tế phần chưng là chọn số mâm thực tế là 9
Kết luận: Tháp chưng cất có 12 mâm thực tế với 1 nồi đun.
3.4 CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
Chọn hơi đốt nồi đun đáy thápở 20 at
Tra bảng 1.251, trang 314, [5]:

- Nhiệt hóa hơi: r
H2O
= r
N
= 280200 (J/kg)
- Nhiệt độ sôi: t
H2O
= t
N
= 211,4
o
C
Dòng sản phẩm đáy có nhiệt độ:
- Trước khi vào nồi đun (lỏng): t
S1
= 193, 6
o
C
- Sau khi được đun sôi (hơi): t
S2
= 196
o
C.
Cân bằng nhiệt cho toàn tháp:
Qđ + G
F
H
FS
= (R+1)G
D

r
D
+ G
D
H
DS
+ G
W
H
WS
+ Q
m
G
F
= G
W
+ G
D
Trang 16
Coi Q
m
= 0,05Q
đ
H
FS
= H
F
= C
F
.t

F
=( x’
F
C
N
+ (1-x’
F
)C
EG
)t
F
t
F
là dòng nhập liệu vào tháp, ở đây ta chọn nhập liệu là lỏng sôi.
H
WS
= C
W
.t
WS
= (x’
W
C
N
+ (1-x’
W
)C
EG
)t
WS

H
DS
= C
D
.t
DS
= x’
D
C
N
+ (1-x’
D
)C
EG
)t
DS
r
D
= x’
D
r
N
+ (1-x’
D
)r
EG
Với :
- x
F
= 0,15 t

FS
= 157,1
o
C
- x
W
= 0,01 t
WS
= 193,6
o
C
- x
D
= 0,99 t
DS
= 101,8
o
C
Nhiệt dung riêng:
Tra bảng 1.249, trang 310[5] ta được nhiệt dung riêng của nước
Tra toán đồ 1.52, trang 166[5] ta được nhiệt dung riêng của Etilenglicol
Cấu tử Dòng Ci(kJ/kg.độ) C
i
(tb)(kJ/kg.độ) Enthalpy(kJ/kg)
Nước(0.0487
)
F
(157,1
o
C

)
4.331
3.098 486.714
EG 3.035
Nước(0,9664
)
D
(101,8
o
C
)
4.222
4.176 425.096
EG 2.847
Nước(0,0029
)
W
(193,6
o
C
)
4.476
3.228 624.869
EG 3.224
Nhiệt hóa hơi
Tra bảng 1.250, trang 312[5]
Nhiệt hóa hơi của nước ở 101,8
o
C: r
N

= 2242,96 (kJ/kg)
Nhiệt hóa hơi của Etilenglycol ở 101,8
o
C: r
EG
= 984,70 (kJ/kg)
r
D
= 2242,96.0,9664 + (1-0,9664).984,70 = 2200,68(kJ/kg)
Nhiệt lượng cần cung cấp:
Trang 17
= = 479945,362kJ/h)
Chọn cấp nhiệt bằng hơi nước bão hòa để cấp nhiệt thì: Q
đ
= G
N
.r
N
Lượng hơi nước cần dùng là: G
N
= (kg/h)
Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy:
Chọn:
- Nhiệt độ nước lạnh vào t
V
= 27
o
C và nhiệt độ ra t
R
= 37

o
C.
- Sản phẩm đáy ra có nhiệt độ t
WS
= 193,6
o
C và nhiệt độ ra t
WR
= 40
o
C.
Phương trình cân bằng nhiệt:
Tra bảng 1.250, trang 310[5] để tìm nhiệt dung riêng của nước
Nhiệt dung riêng của nước ở 40
o
C = 4,178 (kJ/kg.độ)
Nhiệt dung riêng của Etilenglycol ở 40
o
C = 2,512(kJ/kg.độ)
 H
WR
= ( 0,0029.4,178 + (1-0,0029).2,5212).40 = 101,04 (kJ/kg)
Tra bảng 1.250 trang 312[5]
- Enthalpy của nước ở 27
o
C: H
V
= 113,13 (kJ/kg)
- Enthalpy của nước ở 37
o

C: H
R
= 155,03 (kJ/kg)
Lượng nhiệt trao đổi: Q = G
W
(H
WS
-H
WR
) = 1428,7(624,869-101,04) = 748,4.10
3
(kJ/h)
Suất lượng nước lạnh cần dùng là: (kg/h)
Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh
Chọn
- Nước lạnh đi trong ống có nhiệt độ vào t
V
= 27
o
C và nhiệt độ ra t
R
= 37
o
C
- Dòng hơi tại đỉnh đi ngoài ống với nhiệt độ ngưng tụ 101,8
o
C
Cân bằng nhiệt:
Nên Q
nt

= (R+1)G
D
r
D
= (0,762+1).71,325.2200,68 = 276569,689 (kg/h)
Tra bảng 1.250, trang 312[5]
Enthalpy của nước ở 27
o
C : Hv = 113,13 (kJ/kg)
Enthalpy của nước ở 37
o
C: H
R
= 153,05 (kJ/kg)
Lượng nước cần dùng: = (kg/h)
Thiết bị đun sôi dòng nhập liệu:
Chọn:
- Dòng nhập liệu đi trong ống với nhiệt độ vào t
f
= 27
o
C và nhiệt độ ra ở trạng thái
lỏng sôi có nhiệt độ t
F
= 157,1
o
C.
Trang 18
- Hơi ngưng tụ đi trong ống ngoài có áp suất 20 at
o Nhiệt hóa hơi: r

N
= 280200 (J/kg)
o Nhiệt độ sôi: t
N
= 211,4
o
C
Tra bảng 1.249, trang 310[5]
- Nhiệt dung riêng của nước 27
o
C = 4,178(kJ/kg.độ)
- Tra toán đồ nhiệt dung riêng của Etilenglicol 27
o
C = 2,47(kJ/kg.độ)
H
f
= C
f
.t
f
=( (x’
F
.C
N
+ (1-x’
F
).C
EG
).t
f

= (0,0487.4,178+(1-0,0487).2,47).27 = 63,83
(kJ/kg)
Cân bằng nhiệt:
Nên: Q = G
F
(H
F
-H
f
) = 1500.(486,714-63,83) = 634326 (kJ/h)
Lượng hơi đốt cần dùng: = 226,383(kg/h)
Chương 4: Tính Toán Thiết Bị Chưng Cất
4.1 Đường kính tháp
Áp dụng công thức (IX.89), (IX.90), trang 181 [6]
Trang 19
(m) (4.1)
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, vì vậy, đường kính
đoạn chưng và đoạn cất khác nhau. Do đó ta sẽ tính đường kính mỗi đoạn rồi so sánh
chọn ra kích thước phù hợp.

4.1.1 Đường kính đoạn luyện:
4.1.1.2 Lượng hơi trung bình đi trong tháp:
(kg/h) (4.2)
g
d
: lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (kg/h)
g
1
: lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện (kg/h).
- Lượng hơi ra khỏi đỉnh tháp g
d
: g
d
= G
R
+ G
D
= G
D
(R+1) (4.3)
= 71,325(0,762+1) = 125,675 (kg/h).
- Xác định g
1
: từ hệ phương trình can bằng vật liệu và can bằng nhiệt sau:
(4.4)
G
1
: lượng hơi ở đĩa thứ nhất của đoạn luyện.
r
1

: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn luyện
r
d
: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi ra ở đỉnh tháp.
- Xác định r
1
: t
1
= t
F
= 157,1
o
C, tra ẩn nhiệt hóa hơi của các chất trong dữ liệu
DIPPR
o ẩn nhiệt hóa hơi của nước: r
N1
= 2097,96 (kJ/kg)
o ẩn nhiệt hóa hơi của Ethylen glycol: r
EG1
= 914,08 (kJ/kg)
 r
1
= r
N1
.y’
1
+ (1-y’
1
).r
EG1

= 2097,96y’
1
+ (1-y’
1
).914,08 = 1183,88y’
1
+ 914,08.
- Xaùc ñònh r
d
: t
D
= 101,8
o
C.
x
D
= 0,99y
D
= 0,998 =
(khối lượng hơi nước/khối lượng hơi hỗn hợp)
= 2234,15 (kJ/kg)
Ta coi x’
1
= x’
F
= 0,0487.
Giải hệ phương trình trên ta được:
 = 0,662 (phân mol nước/mol hỗn hợp hơi).
 = 167,436 (kg/h).
Trang 20

4.1.1.3 Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp:
Áp dụng công thức (IX.105), trang 184 [6]
. (kg/m
2
.s) (4.5)
ρ
ytb
: khối lượng riêng trung bình pha hơi.
(4.6)
Với nồng độ phân mol trung bình pha hơi:
(4.7)

Nhiệt độ trung bình đoạn luyện:

o
C
 = 0,923 (kg/m
3
).
ρ
xtb
: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng
Nồng độ phân khối lượng trung bình pha lỏng:
Nhiệt độ trung bình đoạn luyện t
tb
= 129,45
o
C.
Khối lượng riêng của nước: ρ
N

= 935,39(kg/m
3
)
Tra bảng 7.3 trang 360[9]
Khối lượng riêng của Ethylen glycol: ρ
EG
= 1030,9 (kg/m
3
)
-1
= = 980,102 (kg/m
3
)
- ϕ[σ]: hệ số tính đến sức căng bề mặt
o Khi σ<20 dyn/cm thì ϕ[σ] = 0,8
o Khi σ>20 dyn/cm thì ϕ[σ] = 1
σ được tính theo công thức I.76 trang 299,[5]
(4.8)
σ
EG
, σ
N
:sức căng bề mặt của Ethylen glycol và nước tại nhiệt độ làm việc.
- t
tb
= 129,45
o
C, tra bảng tính theo DIPPR
o sức căng bề mặt của nước: σ
N

= 52,487 (dyn/cm)
o sức căng bề mặt của Ethylen glycol: σ
EG
= 38,689 (dyn/cm)
 σ =22,3 (dyn/cm) > 20 (dyn/cm)
 ϕ[σ] = 1
h: khoảng cách mâm (m), chọn h = 0,3 m
Trang 21
( ρ
y
.ω
y
)
tb
= 0,065 (4.9)
= 0,065 . 1 .
= 1,071(kg/m
2
.s)
ω
y
= 1,071/0,923 = 1,16 (m/s)
 Đường kính đoạn luyện:
= 0,235(m)
4.1.2 Đường kính đoạn chưng:
(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
: vì lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đoạn luyện
nên : g’
n
= g
1
= 209,197 (kg/h).
- xác định g’
1
: từ hệ phương trình cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng sau:
G’
1
: lượng hơi 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.
- Xác định y’
W
:
x
W
 y
W
= 0,00714
 0,021(kg hơi nước/kg hỗn hợp hơi)
- Tính r’
1

:
t’
1
= t
w
= 193,6
o
C, tra bảng 1.1250, trang 312[5]
o ẩn nhiệt hóa hơi của nước: r’
N1
= 1989,96 (kJ/kg)
o ẩn nhiệt hóa hơi của Ethylen glycol; r’
EG1
= 863,123(kJ/kg).
 (kJ/kg).
- Tính r
1
: r
1
= 1183,88.y’1 + 914,08 = 1183,88.0,362 + 914,08 = 1342,644(kJ/kg).
G
w
= 1428,7 (kg/h)
Giải hệ ta được;
x
1
= = (phân mol nước/mol hỗn hợp)
= 262,967 (kg/h)
4.1.2.1 Tốc độ hơi trung bình trong tháp
- xác định ρ’

xtb
, ρ’
ytb
:
ρ’
xtb
: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (kg/m
3
)
Trang 22
ρ’
ytb
: khối lượng riêng trung bình của pha hơi(kg/m
3
).
- Xác định ρ’
ytb
:
Với:
+ Nồng độ phân mol trung bình: = 0,336
+ Nhiệt độ trung bình đoạn chưng: = 175,35
o
C.
 = 1,284 (kg/m
3
).
- Xác định ρ’
xtb
:
+ nồng độ phân khối lượng trung bình pha lỏng: = 0,0258

+ Nhiệt độ trung bình đoạn chưng: t’
tb
= 175,35
o
C.
Tra tài liệu tham khảo
o Khối lượng riêng của nước: ρ’
N
= 893,92 (kg/m
3
)
o Khối lượng riêng của Ethylen glycol: ρ’
EG
= 991,65(kg/m
3
)

-1
= 988,861(kg/m
3
).
ϕ[σ]: hệ số tính đến sức căng bề mặt
- Khi σ<20 (dyn/cm) thì ϕ[σ] = 0,8
- Khi σ>20 (dyn/cm) thì ϕ[σ] = 1
σ: tính theo công thức sau:
- t’
tb
= 175,35, tra bảng và dữ liệu DIPPR ta có
o Sức căng bề mặt của nước: σ
N

= 43,054 (dyn/cm)
o Sức căng bề mặt của Ethylen glycol: σ
EG
= 34,599 (dyn/cm)
σ = 19,2 (dyn/cm)<20(dyn/cm)  ϕ[σ] = 0,8
h: khoảng cách mâm (m), chọn h = 0,3 m
( ρ
y
.ω
y
)
tb
= 0,065 .
= 0,065 . 0,8 .
= 1,015 (kg/m
2
.s)
ω
y
= 1,015 /1,284 = 0,79(m/s)
Đường kính đoạn chưng:
=0,303(m)
Kết luận: Đường kính đoạn chưng lớn hơn đoạn luyện, ta chọn
D
t
= 0,4 (m).
Trang 23
Tiết diện tháp: (4.10)
= 0,1257 (m
2

)
Khi đó tốc độ làm việc thực ở:
- Phần luyện: ω
lv
= = 0,4(m/s)
- Phần chưng: ω’
lv
= = 0,45(m/s).
4.2 Chiều cao tháp
Chiều cao tháp được xác định theo công thức (IX.50), trang 168 [6]
H = N
tt
.(H
đ
+ δ) + (0,8 ÷ 1,0) (m) (4.11)
Với:
N
tt
: số đĩa thực tế là 12
δ:chiều dày của mâm, chọn δ = 4(mm) = 0,004(m).
H
đ
: khoảng cách giữa các mâm(m), chọn theo bảng IX.5, trang 170[5]; H
đ
= 0,25 (m)
(0,8÷ 1,0) là khoảng cách cho phép ở đỉnh và đáy tháp
H = 12(0,25 + 0,004) +(0,8 ÷ 1,0) = 4(m)
4.3 Tính toán chóp và ống chảy chuyền
- Chọn đường kính ống hơi d
h

= 50 (mm) = 0,05(m)
- Số chóp phân bố trên đĩa, áp dụng công thức (IX.212),trang 236[6]
(4.12)
chóp, chọn n=7.
- Chiều cao chóp phía trên ống dẫn hơi, áp dụng công thức (IX.213), trang 236[6]

- Đường kính chóp, áp dụng công thức (IX.214), trang 236[6]
(4.13)
δ
ch
: chiều dày chóp, chọn δ
ch
= 2(mm) (δ
ch
= 2÷3 mm)
 =72,6(mm)
Chọn d
ch
= 75(mm).
- Khoảng cách từ đĩa đến chân chóp
S = 0÷25 (mm), chọn S = 10(mm)
- Chiều cao mực chất lỏng trên khe chóp:
h
1
= 15÷40 (mm), chọn h
1
= 30 (mm).
- Tiết diện tháp: F = = 0,126(m
2
).

- Chiều cao khe chóp, áp dụng công thứ (IX.215), trang 236[6]
(4.14)
o ξ: hệ số trở lực đĩa chóp ξ= 1,5 ÷2, chọn ξ = 2
o (4.15)
Trang 24
Vy: lưu lượng hơi trong tháp, 195,02(m
3
/h).
 = 3,941(m/s).
o = 984,482 (kg/m
3
)
o = (kg/m
3
)
b = 0,00355 (m) = 3,55 (mm) (b = 10 ÷50 mm)
Chọn b = 10 (mm)
- Số lượng khe hở của mỗi chóp, áp dụng công thức (IX.216), trang 235[6]
(4.16)
o c = 3÷4 mm (khoảng cách giữa các khe), chọn c = 4mm
o d
ch
: đường kính chóp = 75mm
o d
h
; đường kính ống hơi = 50mm.
 = 9,8(khe)
Chọn i= 10(khe)
- Đường kính ống chảy chuyền, áp dụng công thức (IX.217), trang 236[6]
(4.17)

o G
x
: lưu lượng dòng lỏng trung bình đi trong tháp (kg/h)
= 941,654(kg/h)
o z: số ống chảy chuyền, chọn z = 1.
o ρ
x
: khối lượng riêng trung bình của lỏng(kg/m
3
); ρ
x
= 984,482(kg/m
3
)
o ω
c
: tốc độ chất lỏng trong ống chảy chuyền (m/s)(0,1 ÷0,5 m/s), chọn ω
c
=
0,4 (m/s)
 = 0,029 (m) = 29 (mm), chọn d
c
= 30 (mm)
- Khoảng cách từ đĩa đến chân ống chảy chuyền, áp dụng công thức (IX.218), trang
237[6]
S
1
= 0,25.d
c
(4.18)

= 0,25.0,03 = 0,0075(m)
- Chiều cao ống chảy chuyền trên đĩa, áp dụng công thức (IX.219), trang 237[6]
(4.19)
o h
1
: chiều cao mức chất lỏng trên khe chóp = 30 (mm)
o b: chiều cao khe chóp = 10 (mm)
o S: khoảng cách từ mặt đĩa đến chân chóp =10 (mm)
o ∆h: chiều cao mực chất lỏng ở bên trên ống chảy chuyền
(4.20)
V: thể tích chất lỏng chảy qua (m
3
/h).
Lưu lượng lỏng trong phần luyện của tháp: (4.21)
-1
=
-1
= 27,669 (kg/kmol)
= 0,0000231(m
3
/s)
Lưu lượng lỏng trong phần chưng của tháp :
Trang 25