THIẾT kế THÁP CHƯNG cất AXETON – rượu ETYLIC BẰNG THÁP đĩa lỗ có ỐNG CHẢY TRUYỀN

  
TRƯỜNG ĐH BÀ RỊA – VŨNG TÀU
KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ
ĐỀ TÀI:
THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT AXETON – RƯỢU ETYLIC
BẰNG THÁP ĐĨA LỖ CÓ ỐNG CHẢY TRUYỀN
GVHD : NGUYỄN VĂN TOÀN
NHÓM SV : NGUYỄN ĐỨC LONG
NGUYỄN DUY LINH
LÊ THỊ KIM LIÊN
LỚP : DH10H1

Vũng Tàu, ngày tháng năm 2013
  
Trường ĐH Bà Rịa – Vũng Tàu
Khoa hóa học và công nghệ thực phẩm
Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam
Độc lập - Tự do – Hạnh phúc
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN
Họ tên sinh viên:
NGUYỄN ĐỨC LONG Giới tính: Nam Nơi sinh: Quảng Bình
NGUYỄN DUY LINH Giới tính: Nam Nơi sinh: Lâm Đồng
LÊ THỊ KIM LIÊN Giới tính: Nữ Nơi sinh: Quảng Bình
KHÓA: 2010-2014
KHOA: CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM
1.Tên đề tài:
THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG CẤT LIÊN TỤC HỖN HỢP
AXETON-RƯỢU ETYLIC LOẠI THÁP ĐĨA LỖ CÓ ỐNG CHẢY CHUYỀN VỚI
CÔNG SUẤT 5 (Kg/s)

2.Nhiệm vụ đồ án:
- Giới thiệu công nghệ và thiết kế quy trình công nghệ.
- Cân bằng vật chất cho tháp và tính toán hệ thống.
- Tính toán thiết kế tháp chưng cất:
- Đường kính, chiều cao
- Mâm lỗ - trở lực mâm
- Tính toán tính cơ khí
- Tính toán các thiết bị truyền nhiệt – Thiết bị phụ:
- Các thiết bị truyền nhiệt
- Tính toán bảo ôn
- Tính toán bơm nhập liệu
- Tính toán giá thành thiết bị
- Kết luận.
3.Ngày giao:
4.Hoàn thành:
5.Họ và tên GVHD: Nguyễn Văn Toàn
6.Họ và tên CNBM: PGS.TS Nguyễn Văn Thông

Trưởng khoa bộ môn cho phép
Kí tên
Cán bộ hướng dẫn
Kí tên
  
MỤC LỤC
Trang
LỜI MỞ ĐẦU: trang 1
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN trang 2
I.LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT: trang 2
I.1 . Phương pháp chưng cất trang 2
I.2 . Thiết bị chưng cất: trang 3

II. GIỚI THIỆU SƠ BỘ NGUYÊN LIỆU: trang 4
II.1. Axeton trang 4
II.2. Rượu Etylic trang 5
II.3. Hỗn hợp Axeton – Rượu etylic trang 7
III. CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ RƯỢU ETYLIC – AXETON trang 7
CHƯƠNG II: CÂN BẰNG VẬT CHẤT trang 9
I. CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU trang 9
II. XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG SẢN PHẨM ĐỈNH  !"""""""""""#$%
II.1.Cân bằng vật chất trang 9
II.2.Xác định chỉ số hoàn lưu thích hợp trang 11
III. XÁC ĐỊNH SỐ MÂM THỰC TẾ trang 14
CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN – THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT trang 17
I. ĐƯỜNG KÍNH THÁP trang 17
I.1.Đường kính đoạn luyện trang 17
I.2.Đường kính đoạn chưng trang 19
II.CHIỀU CAO THÁP trang 22
III. MÂM LỖ - TRỞ LỰC CỦA MÂM trang 23
III.1.Cấu tạo mâm lỗ trang 23
III.2.Trở lực của đĩa khô trang 23
III.3. Trở lực do sức căng bề trang24
III.4.Trở lực thủy do chất lỏng trên đĩa tạo ra trang 25
III.5. Tổng trở lực thủy lực của tháp trang 27
III.6. Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động trang 28
IV. TÍNH TOÁN CƠ KHÍ CỦA THÁP trang 30
IV.1.Bề dày thân tháp trang 30
IV.2.Đáy và nắp thiết bị trang 32
IV.3.Bích ghép thân- đáy và nắp trang 32
IV.4.Chân đỡ trang 33
IV.5. Đường kính các ống dẫn – Bích ghép các ống dẫn trang 35
CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ

TRUYỀN NHIỆT – THIẾT BỊ PHỤ trang 39
I. CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG trang 39
II. CÁC THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT trang 40
II.1.Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh trang 40
II.2.Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""#$&&
II.3.Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy trang 47
II.4.Thiết bị trao đổi nhiệt giữa nhập liệu và sản phẩm đáy trang 50
II.5.Thiết bị gia nhiệt nhập liệu trang 54
III. TÍNH TOÁN BẢO ÔN CỦA THIẾT BỊ trang 58
IV. TÍNH TOÁN BƠM NHẬP LIỆU trang 60
KẾT LUẬN trang 64
MỞ ĐẦU
Một trong những ngành có sự đóng góp to lớn đến ngành công nghiệp nước ta nói riêng
và thế giới nói chung , đó là ngành công nghiệp hóa học. Đặc biệt là ngành hóa chất cơ bản.
Ngày nay cùng với sự phát triển vượt bậc của nền công nghiệp thế giới và nước nhà, các
ngành công nghiệp rất cần nhiều hóa chất có độ tinh khiết cao. Với mỗi nhu cầu sử dụng
nguyên liệu hay sản phẩm có độ tinh khiết cao sẽ có các phương pháp sản xuất thích hợp để
nâng cao độ tinh khiết như: trích ly, chưng cất, cô đặc, hấp thu … Tùy theo đặc tính yêu cầu
của sản phẩm mà ta có sự lựa chọn phương pháp thích hợp.Đối với hệ axeton và rượu etylic
là hai cấu tử tan lẫn hoàn toàn ta cần phải dung phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh
khiết cho
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 hoá thực phẩm 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 hoá 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. Vì thế, đề tài ″ Thiết kế hệ thống chưng cất hệ Aceton – rượu etylic hoạt động liên tục
với năng suất nhập liệu: 5 Kg/s ″ của môn ″ Đồ án môn học quá trình thiết bị ″ cũng là một
bước giúp cho sinh viên tập luyện và chuẩn bị cho việc thiết kế quá trình & thiết bị công
nghệ trong lĩnh vực này.

Để hoàn thành đồ án này, thực sự nhóm em đã cố gắng rất nhiều. Song , vì đây là bước
đầu làm quen với công tác thiết kế nên chắc hẳn nhóm chúng em không tránh khỏi những
sai sót, mong thầy cô thông cảm và góp ý cho chúng em lần sau.
Cuối cùng, nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn, đặc biệt là
thầy Nguyễn Văn Toàn, là người đã trực tiếp hướng dẫn và giúp đỡ chúng em rất nhiều
trong suốt thời gian thực hiện đồ án thiết kế này .
Trang 6
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
I . LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT:
I.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 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 Etanol - axeton
sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm axeton và một etanol, ngược lại sản phẩm đáy chủ yếu gồm
etanol và một ít axeton
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 .
Vậy: đối với hệ Etanol – Axeton, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục bằng tháp
đĩa lỗ có ống chảy chuyền ở áp suất thường.
Trang 7
I.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.
- Hiệu suất tương đối
cao. - Hiệu suất cao.
- Trở lực thấp.
- Hoạt động khá ổn
định. - Hoạt động ổn định.

- Làm việc với chất lỏng
bẩn.
Nhược
điểm: - Hiệu suất thấp. - Trở lực khá cao. - Cấu tạo phức tạp.

- Độ ổn định
kém.
- Yêu cầu lắp đặt khắt
khe -> lắp đĩa thật
phẳng. - Trở lực lớn.
- Thiết bị nặng.
- Không làm việc với
chất lỏng bẩn.
Nhận xét: tháp mâm xuyên lỗ là trạng thái trung gian giữa tháp chêm và tháp
mâm chóp. Nên ta chọn tháp chưng cất là tháp mâm xuyên lỗ.
Trang 8
Vậy: Chưng cất hệ Etanol - Axeton ta dùng tháp đĩa lỗ hoạt động liên tục ở áp
suất thường, cấp nhiệt gián tiếp ở đáy tháp.
II . GIỚI THIỆU SƠ BỘ NGUYÊN LIỆU:
Nguyên liệu là hỗn hợp axeton – rượu etylic.
II.1.Axeton:

Acetone có công thức phân tử : CH
3
COCH
3
. Khối lượng phân tử bằng 58.079 đvC.
Là một chất lỏng không màu, dễ lưu động và dễ cháy và có mùi thơm.
Nó hòa tan vô hạn trong nước và một số hợp chất hữu cơ như : eter, metanol, etanol,
diacetone alcohol…
• Ứng dụng : Acetone được ứng dụng nhiều làm dung môi cho công nghiệp, ví dụ
cho vecni, sơn, sơn mài, cellulose acetate, nhựa, cao su … Nó hoà tan tốt tơ
acetate, nitroxenluloz, nhựa phenol focmandehyt, chất béo, dung môi pha sơn,
mực in ống đồng. Acetone là nguyên liệu để tổng hợp thủy tinh hữu cơ. Từ
Acetone có thể tổng hợp ceten, sumfonat (thuốc ngủ), các holofom.
Được tìm thấy đầu tiên vào năm 1595 bởi Libavius, bằng chưng cất khan đường, và đến
năm 1805 Trommsdorff tiến hành sản xuất Acetone bằng cách chưng cất Acetat của bồ tạt
và sođa : là một phân đoạn lỏng nằm giữa phân đoạn rượu và eter.
• Một số thông số vật lý và nhiệt động của Acetone :
+ Nhiệt độ nóng chảy : -94.6
0
C
+ Nhiệt độ sôi : 56.9
0
C
+ Tỷ trọng :
792
4
20
=d
(kg/m
3

)
+ Nhiệt dung riêng Cp: 22 Kcal/mol (chuẩn ở 102
0
C)
+ Độ nhớt µ : 0.316 cp (ở 25
0
C)
+ Nhiệt trị : 0.5176 cal/g ( ở 20
0
C)
• Sản xuất Acetone :
Trong thời kỳ chiến tranh thế giới lần thứ nhất, do nhu cầu về nguồn Acetone rất lớn, tong
khi có sự giới hạn trong việc thu dược Acetone từ sự chưng cất gỗ, nên để bổ sung nguồn
Acetone Hoa Kỳ đã áp dụng phương pháp chưng cất khan Ca(CH
3
COO)
2
– thu được bằng
cách lên men rượu có mặt xúc tác vi khuẩn để chuyển carbohydrate thành Acetone và Butyl
Alcohol.Công nghệ này được ứng dụng chủ yếu trong suốt chiến tranh thế giới lần thứ nhất
và những năm 20 .
Tuy nhiên, đến giữa những năm 20 và cho đến nay công nghệ trên được thay bằng công
nghệ có hiệu quả hơn (chiếm khoảng ¾ phương pháp sản xuất Acetone của Hoa Kỳ) :
Dehydro Isopropyl Alcol.
Ngoài ra, còn một số qúa trình sản xuất Acetone khác :
• Oxi hóa Cumene Hydro Peroxide thành Phenol và Acetone.
Trang 9
'(
)
• Oxi hóa trực tiếp Butan – Propan.

• Lên men Carbo hydrate bởi vi khuẩn đặc biệt.
• Công ty Shell sử dụng nó như một sản phẩm phụ.
Tổng hợp Acetone bằng cách Dehydro Isopropyl Alcol có xúc tác:
+ CH
3
CHOHCH
3
+ 15.9 Kcal (ở 327
0
C )
 →
xuctac
CH
3
COCH
3
+ H
2

+ Xúc tác sử dụng ở đây : đồng và hợp kim của nó, oxit kim loại và muối.
+ Ở nhiệt độ khoảng 325
0
C, hiệu suất khoảng 97%.
+ Dòng khí nóng sau phản ứng gồm có : Acetone, lượng Isopropyl Alcol chưa
phản ứng, H
2
và một phần nhỏ sản phẩm phụ ( như Propylene, diisopropyl eter
…). Hỗn hợp này được làm lạnh và khí không ngưng được lọc bởi nước. Dung
dịch lỏng được đem đi chưng cất phân đoạn, thu được Acetone ở đỉnh và hỗn
hợp của nước, Isopropyl Alcol ( ít) ở đáy.

II.2.Etanol : (Còn gọi là rượu etylic , cồn êtylic hay cồn thực phẩm).
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.
Một số thông số vật lý và nhiệt động của etanol:
+ Nhiệt độ sôi ở 760(mmHg): 78.3
o
C.
+ Khối lượng riêng: d
4
20
= 810 (Kg/m
3
).
Tính chất hóa học:
Tất cả các phản ứng hoá học xảy ra ở nhóm hydroxyl (-OH) của etanol là thể hiện tính chất
hoá học của nó.
* Phản ứng của hydro trong nhóm hydroxyl:
CH
3
-CH
2
-OH CH
3
-CH
2
-O

-
+ H
+
Hằng số phân ly của etanol:
18
10
23
−
−−
=
OHCHCH
K
, cho nên etanol là chất trung tính.
+ Tính acid của rượu thể hiện qua phản ứng với kim loại kiềm, Natri hydrua(NaH), Natri
amid(NaNH
2
):
CH
3
-CH
2
-OH + NaH CH
3
-CH
2
-ONa + H
2
Natri etylat
Do
14

10
223
−
−−
=<
OHOHCHCH
KK
: tính acid của rượu nhỏ hơn tính acid của nước, nên khi muối
Natri etylat tan trong nước sẽ bị thuỷ phân thành rượu trở lại.
+ Tác dụng với acid tạo ester: Rượu etanol có tính bazơ tương đương với nước. Khi rượu tác
dụng với acid vô cơ H
2
SO
4
, HNO
3
và acid hữu cơ đều tạo ra ester.
CH
3
-CH
2
-OH + HO-SO
3
-H CH
3
-CH
2
O-SO
3
-H + H

2
O
CH
3
-CH
2
O-H + HO-CO-CH
3
CH
3
-COO-C
2
H
5
+ H
2
O
* Phản ứng trên nhóm hydroxyl:
+ Tác dụng với HX: CH
3
-CH
2
-OH + HX CH
3
-CH
2
-X + H
2
O
+ Tác dụng với Triclo Phốt pho:

Trang 10
*+,-
.
,&
/012.3
,&
/012.3
3
,224-22.3
) 5$+67"
)879:;"
)<"
)=7"
) >6#"
)?=.@"
)A<$+B"
)C$"
)#787"
)875D"
)<;(."
)EAFDC"
)GD"
)$DHI7<J#:<""
)$KL+B"
)3H$$BJ7#.:M$FJ
) 5$+67"
L+B"
N#.+
CH
3

-CH
2
-OH + PCl
3
CH
3
-CH
2
-Cl + POCl + HCl
+ Tác dụng với NH
3
: CH
3
-CH
2
-OH + NH
3
C
2
H
5
-NH
2
+ H
2
O
+ Phản ứng tạo eter và tách loại nước:
2CH
3
-CH

2
-OH (CH
3
-CH
2
)
2
O + H
2
O
CH
3
-CH
2
-OH CH
2
=CH
2
+ H
2
O
* Phản ứng hydro và oxy hoá:
CH
3
-CH
2
-OH CH
3
-CHO + H
2

Ứng dụng: etanol có nhiều ứng dụng hơn metanol, nó đóng một vai trò quan trọng trong nền
kinh tế quốc dân. Nó là nguyên liệu dùng để sản suất hơn 150 mặt hàng khác nhau và được
ứng dụng rộng rãi trong các ngành: công nghiệp nặng, y tế và dược, quốc phòng, giao thông
vận tải, dệt, chế biến gỗ và nông nghiệp.
Sơ đồ tóm tắt vị trí của etanol trong các ngành công nghiệp.
Phương pháp điều chế: có nhiều phương pháp điều chế etanol: hydrat hoá etylen với
xúc tác H
2
SO
4
; thuỷ phân dẫn xuất halogen và ester của etanol khi đun nóng với nước xúc
tác dung dịch bazơ; hydro hoá aldyhyt acêtic; từ các hợp chất cơ kim…
Trang 11
)87:O$PH$PQ"
)L+B.RSTUV.DV#K"
GDD=
WKD#X#
Trong công nghiệp, điều chế etanol bằng phương pháp lên men từ nguồn tinh bột và rỉ
đường. Những năm gần đây, ở nước ta công nghệ sản suất etanol chủ yếu là sử
dụng chủng nấm men Saccharomyses cerevisiae để lên men tinh bột:
C
6
H
6
O
6
2C
2
H

5
OH + 2CO
2
+ 28 Kcal
Trong đó: 95% nguyên liệu chuyển thành etanol và CO
2
.
5% nguyên liệu chuyển thành sản phẩm phụ: glyxêrin, acid sucxinic, dầu fusel, metylic và
các acid hữu cơ(lactic, butylic…)
II.3.Hỗn hợp Etanol – Axeton:
Ta có bảng cân bằng pha sau:
x 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
y 0 15,5 26,2 41,7 52,4 60,5 67,4 73,9 80,2 86,5 92,9 100
t 78,3 75,4 73 69 65,9 63,6 61,8 60,4 59,1 58 57 56,1
III.Công nghệ chưng cất hệ axeton – elylic:
1. Bồn chứa nguyên liệu
2. Bơm
3. Thiết bị gia nhiệt nhập liệu dạng ống chùm
4. Lưu lượng kế
5. Tháp chưng cất
6. Thiết bị ngưng tụ
7. Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh
8. Bồn chứa sản phẩm đỉnh
9. Nồi đun
10. Bẫy hơi
11. Bồn chứa sản phẩm đáy
12. Thiết bị trao đổi nhiệt
Trang 12
Thuyết minh qui trình công nghệ:
Hỗn hợp axeton – rượu etylic có nồng độ axeton 35% ( theo phân khối lượng), nhiệt độ

khoảng 28
0
C tại bồn chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm đưa đến thiết bị gia nhiệt nhập
liệu dạng ống chùm (3) để gia nhiệt cho hỗn hợp axeton và rượu etylic ban đầu đưa vào. Tại
đây, ta dùng hơi nước bão hòa có áp suất tuyệt đối là 2 at, có nhiệt độ là khoảng 119,6
o
C để
đun sôi dung dịch đầu ở 28
o
C lên trạng thái lỏng sôi ở 65,9217
o
C, lúc này hơi nước bão hòa
đi trong ống còn dòng lỏng đáy đi ngoài ống.Sau khi hỗn hợp được đun sôi đến nhiệt độ sôi
trong thiết bị gia nhiệt(3), 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 rượu etylic (78,3
o
C) sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được
hỗn hợp có cấu tử axeton chiếm nhiều nhất (có nồng độ 97,49% phần mol). Hơi này đi vào
thiết bị ngưng tụ (6) và được ngưng tụ hoàn toàn. Một phần chất lỏng ngưng tụ đi qua thiết
bị làm nguội sản phẩm đỉnh (7), tại đây dòng sản phẩm đỉnh đi ngoài vỏ còn nước đi trong
vỏ do nước bẩn hơn sản phẩm đỉnh và được làm nguội đến 38
0
C , rồi được đưa qua bồn
chứa sản phẩm đỉnh (8). Phần còn lại của chất lỏng ngưng tụ đựơc hoàn lưu về tháp ở đĩa
trên cùng với tỉ 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 hầu hết là các cấu tử khó bay hơi ( rượu etylic). Hỗn hợp ở đáy tháp có
nồng độ axeton là 1,59% (phần mol), còn lại là rượu etylic. Dung dịch lỏng đáy đi ra khỏi
tháp vào nồi đun (9). 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 (12)
Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là axeton, sản phẩm đáy sau khi trao đổi
nhiệt với nhập liệu có nhiệt độ là 60
0
C được thải bỏ
Trang 13
Chương II: CÂN BẰNG VẬT CHẤT
I. CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU:
Chọn loại tháp là tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền
Khi chưng luyện hỗn hợp Axeton – rượu Etylic thì cấu tử dễ bay hơi là Axeton.
 Nồng độ nhập liệu: ( )
 Nồng độ sản phẩm đỉnh: ( )
 Nồng độ sản phẩm đáy: ( )
 Khối lượng phân tử của Axeton và rượu Etylic : kg/kmol, kg/kmol.
 Năng suất nhập liệu: (kg/s)
 Chọn:
 Nhiệt độ nhập liệu vào tháp:
 Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi làm nguội:
 Nhiệt độ dòng nước lạnh đi vào:
 Nhiệt độ dòng nước lạnh đi ra:
 Trạng thái nhập liệu là trạng thái lỏng sôi.
 Các ký hiệu:
 , F: Suất lượng nhập liệu tính theo kg/h, kmol/h.
 , D: suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo kg/h, kmol/h.
 , W: suất lượng sản phẩm đáy tính theo kg/h, kmol/h.

 , : nồng độ phần mol, phần khối lượng của cấu tử i.
II. XÁC ĐỊNH LƯỢNG SẢN PHẨM ĐỈNH VÀ SẢN PHẨM ĐÁY THU ĐƯỢC
II.1. CÂN BẰNG VẬT CHẤT :
II.1.1 Nồng độ phần mol của Axeton trong tháp:
=
−
+
=
T
F
B
F
BF
F
M
x
M
x
Mx
x
100
/

46
35,01
58
35,0
58
35,0
−

+
= 0,2993 phần mol
=
−
+
=
T
D
B
D
BD
D
M
x
M
x
Mx
x
100
/
46
98,01
58
98,0
58
98,0
−
+
= 0,9749 phần mol
Trang 14

=
−
+
=
T
W
B
W
B
W
W
M
x
M
x
Mx
x
100
/
46
02,01
58
02,0
58
02,0
−
+
= 0,0159 phần mol
Do ta chọn trạng thái nhập liệu vào tháp chưng cất là trạng thái lỏng sôi nên từ đồ thị II.1 ta
có tại x

F
=0,2993 ta nội suy ra nhiệt độ nhập liệu vào tháp chưng cất là :
T
F
= 65,9217
Ta có : = M
A
.+ (1- ).M
E
= 0,35.58 + (1-0,35).46 = 50,2 (kg/kmol)
Nên
5657,358
2,50
3600.5
===
F
F
M
G
F
(kg/h)
Trang 15
II.1.2. Suất lượng mol của các dòng :
Phương trình cân bằng vật chất của toàn tháp:
F = D + W
F.x
F
= D.x
D
+ W.x

W
Thế các giá trị vào ta được hệ phương trình sau :
Giải hệ phương trình trên ta được các số liệu.

Mà ta lại có :
Khối lượng phân tử trung bình của dòng sản phẩm đáy:
M
W
= .M
A
+ (1-).M
E
=0,02.58 + (1-0,02).46= 46,24 (kg/kmol)
Khối lượng phân tử trung bình của dòng sản phẩm đỉnh:
M
D
= .M
A
+ (1-).M
E
=0,98.58 + (1-0,98).46= 57,76 (kg/kmol)
Suy ra: G
D
= D.M
D
= 105,9620. 57,76 =6120,3651 (kg/h)
G
W
= W.M
W

= 252,6037. 46,24 =11680,3951 (kg/h)
II.2 Xác định chỉ số hoàn lưu thích hợp:
II.2.1 Tỉ số hồi lưu tối thiểu
Từ bảng số liệu 1 ta xây dựng đồ thị cân bằng pha II.2 của hệ Axeton và rượu Etylic ở áp
suất 1atm
Với x
F
= 0,2993 ta nội suy từ đồ thị 3.2 được
*
F
y
= 0,5233
Tỉ số hoàn lưu tối thiểu
0161,2
2993,05233,0
5233,09749,0
*
*
min
=
−
−
=
−
−
=
FF
FD
xy
yx

R
Suất lượng mol tương đối của dòng nhập liệu:
3839,3
0159,02993,0
0159,09749,0
=
−
−
=
−
−
=
wF
w
xx
xx
f
D
Trang 16


II.2.2 Chỉ số hoàn lưu thích hợp:
Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn luyện :
y =
Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng :
y =
Tỉ số hồi lưu làm việc
Thường được xác định qua tỉ số hồi lưu tối thiểu
R = b. Trong đó: hệ số dư b =1,2 2,5
Trang 17

Với các giá trị > ta tìm được các giá trị tung độ tương ứng
=
Vẽ các đường làm việc của đoạn luyện ứng với các gái trị đó. Từ đó qua đồ thị ta tìm
được các giá trị tương ứng. Từ các giá trị tìm được ta thành lập các giá trị tương ứng ( + 1)
Bảng 1: Quan hệ tỉ số hồi lưu thích hợp với
B 1,4 1,6 1,8 2,0
2,8225 3,2258 3,6290 4,0322
0,2550 0,2307 0,2106 0,1937
25 22 24 25
( + 1) 95,5625 92,9676 115,096 125,805
Đoạn luyện y=0,7384x
+ 0,255
y=0,7634x
+ 0,2307
y=0,7840x
+ 0,2106
y=0,8013x
+ 0,1937
Đoạn chưng y=1,6236x –
0,0099
y=1,5641x –
0,0089
y=1,5150x –
0,0082
y=1,4737x –
0,0075
Vẽ đồ thị biểu diễn mối quan hệ của và ( + 1). Từ đồ thị ta xác định được R =
3,2258
Ta có 22 mâm bao gồm : 15 mâm cất
1 mâm nhập liệu

6 mâm chưng
Tóm lại số mâm lý thuyết là N
lt
= 21 mâm
III. Xác định số mâm thực tế:
Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình:
N
t
= N
lt
/
tb
η
Trong đó: N
t
là số đĩa thực tế
Trang 18
N
lt
là số đĩa lý thuyết

tb
η
là hiệu suất trung bình của thiết bị

tb
η
=
n
nnnn

n
++++

321
Trong đó: n
i
– hiệu suất của các bậc thay đổi nồng độ
n – số vị trí tính hiệu suất
Trong trường hợp này ta tính:

tb
η
=
3
W
FD
nnn ++
Với n
D
, n
F
, n
W
– lần lượt là hiệu suất ở đĩa trên cùng, hiệu suất ở đĩa nhập liệu và hiệu suất ở
đĩa dưới cùng.
Hiệu suất trung bình của tháp:
Độ bay hơi tương đối của cấu tử dễ bay hơi:
x
x
y

y −
−
=
1
.
1
*
*
α
Với :
x là phần mol của Axeton trong pha lỏng
y
*
là phần mol của Axeton trong pha hơi cân bằng với pha lỏng
+> Tại vị trí nhập liệu:
x
F
= 0,2993 ta tra đồ thị cân bằng của hệ : y
F
*
= 0,5233
t
F
= 65,9217
Độ bay hơi tương đối:
57,2
2993,0
2993,01
.
5233,01

5233,01
.
1
*
*
=
−
−
=
−
−
=
F
F
F
F
x
x
y
y
α
Từ = 0,35 và t
F
= 65,9217 tra tài liệu tham khảo 4 (tập 1) –trang 91 ta có:

)(545,0/.10.545,0
)(2211,0/.10.2211,0
23
23
cPmsN

cPmsN
E
A
==
==
−
−
µ
µ
Sử dụng công thức (I.12),trang 84,[1] :
Trang 19
lg µhh = xF.lgµA + (1- xF).lgµE=0,2993.lg0,2211 + (1-0,2993).lg0,545
= -0,3809
Suy ra : µhh =0,416 (cP)
Vậy : α.μhh = 2,57.0,416 = 1,0691
Tra hình IX,trang 171,[2] :
E = nF = 50%
+> Tại vị trí đỉnh :
x
D
= 0,9749 ta tra đồ thị cân bằng của hệ : y
D
*
= 0,9822
t
D
= 56,3259
Độ bay hơi tương đối:
4207,1
9749,0

9749,01
.
9822,01
9822,01
.
1
*
*
=
−
−
=
−
−
=
D
D
D
D
x
x
y
y
α
Từ = 0,98 và t
D
= 56,3259 tra tài liệu tham khảo 4 (tập 1) –trang 91 ta có:

)(6314,0/.10.6314,0
)(2359,0/.10.2359,0

23
23
cPmsN
cPmsN
E
A
==
==
−
−
µ
µ
Sử dụng công thức (I.12),trang 84,[1] :
lg µhh = xD.lgµA + (1- xD).lgµE=0,9749.lg0,2359 + (1-0,9749).lg0,6314
= -0,6165
Suy ra : µhh =0,2418 (cP)
Vậy : α.μhh = 1,4207.0,2418 = 0,3435
Tra hình IX,trang 171,[2] :
E = nD = 66%
+> Tại vị trí đáy :
x
W
= 0,0159 ta tra đồ thị cân bằng của hệ : y
W
*
= 0,0493
Trang 20
t
W
= 77,3778

Độ bay hơi tương đối:
2096,3
0159,0
0159,01
.
0493,01
0493,01
.
1
*
*
=
−
−
=
−
−
=
W
W
x
x
y
y
WW
α
Từ = 0,02 và t
W
= 77,3778 tra tài liệu tham khảo 4 (tập 1) –trang 91 ta có:

)(4555,0/.10.4555,0
)(2040,0/.10.2040,0
23
23
cPmsN
cPmsN
E
A
==
==
−
−
µ
µ
Sử dụng công thức (I.12),trang 84,[1] :
lg µhh = xW.lgµA + (1- xW).lgµE=0,0159.lg0,2040 + (1-0,0159).lg0,4555
= -0,3471
Suy ra : µhh =0,4497(cP)
Vậy : α.μhh = 0,4497.3,2096 = 1,4434
Tra hình IX,trang 171,[2] :
E = nW = 46%
Hiệu suất trung bình của tháp :
54,0
3
46.05.066.0
3
=
++
=
++

=
WFD
tb
nnn
η
Số mâm thực tế của tháp :
N
tt
= 38,88
Vậy chọn N
tt
=39 mâm gồm : 28 mâm cất
1 mâm nhập liệu
10 mâm chưng
Trang 21
CHƯƠNG IV : TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THÁP
CHƯNG CẤT
I.ĐƯỜNG KÍNH THÁP: (Dt)
D =
tbytb
tb
tb
tb
gV
).(
0188.0
.3600.
*4
ωρωπ
=

(m)
Trong đó:
V
tb
: lượng hơi trung bình đi trong tháp (m
3
/h).
ῳ
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 luyện khác nhau. Do đó, đường
kính đoạn chưng và đoạn luyện cũng khác nhau.
I.1 . Đường kính đoạn cất:
I.1.1.Lượng hơi trung bình đi trong tháp:
g
tb
=
2
1
gg
d
+
(kg/h)
g
d
: lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (kg/h)
g

1
: lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn cất (kg/h).
• Xác định g
d
:
g
d
= D.(R+1) = 105,9620.(3,2258+1)= 447,7742 (kmol/h) = 25836,034 (kg/h)
( vì M
thD
= 58.y
D
+ (1- y
D
).46 = 57,6988 (kg/kmol)).
• Xác định g
1
: từ hệ phương trình





dd 11
D1111
1 1
.rg=.rg
D.x + .xG = .yg
D + G =g
(I.1)

Với:
Trang 22
G
1
: lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn cất.
r
1
: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn cất
r
d
: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi ra ở đỉnh tháp.
 Tính r
1
:
t
1
= t
F
=65,9217
o
C, tra bảng I.216 tr 260 [5] ta có :
Ẩn nhiệt hóa hơi của axeton : r
a1
= 29716,0098 (KJ/kmol)
Ẩn nhiệt hóa hơi của rượu etylic : r
r1
= 39988,2934

(KJ/kmol)
Suy ra : r

1
= r
a1
.y
1
+ (1-y
1
).r
r1
= 39988,2934

- 10272,2836y
1
(KJ/kmol)
 tính r
d
:
t
d
= 56,3259
o
C tra bảng I.216 tr 260 [5] ta có:
Ẩn nhiệt hóa hơi của axeton : r
ad
= 30289,9003 (KJ/kmol)
Ẩn nhiệt hóa hơi của rượu etylic : r
rd
= 40586,0052

(KJ/kmol)

Suy ra : r
d
= r
ad
.y
d
+ (1- y
d
).r
rd
= 30289,9003 *0.9749+ (1-0.9749)* 40586,0052

=
30548,3325(KJ/kmol)
 x
1
= x
F
=0.2993
Giải hệ phương trình (I.1) ta được: G
1
= 264,9483(kmol/h)
y
1
=0,3027 (phần mol)
g
1
= 370,910 (kmol/h) =18409,1535 (kg/h)
Vậy: g
tb

=
)/(5937,22122
2
034,25836 18409,1535
hkg=
+
I.1.2.Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp:
Tốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp với mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền:
ytbxtbtb
pp /.055.0
=
ω
Với :
− ρ
xtb
: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (Kg/m
3
)
− Ρ
ytb
: khối lượng riêng trung bình của pha hơi (Kg/m
3
).
 Xác định Ρ
ytb
:
Trang 23
)273.(4,22
273].46).1(58.[
+

−+
=
tb
tbtb
ytb
t
yy
ρ
Với :
+ Nồng độ phân mol trung bình: y
tb
=
6388,0
2
9749,03027,0
2
1
=
+
=
+
D
yy
+ Nhiệt độ trung bình đoạn cất :
t
tb
=
1238,61
2
3259,569217,65

2
1
=
+
=
+
D
tt
o
C
Suy ra: ρ
ytb
=1,9575 (kg/m
3
).
 xác định ρ
xtb
:
+ Nồng độ phần mol trung bình:
x
tb
=
6371,0
2
9749,02993,0
2
=
+
=
+

DF
xx
Suy ra:
6888,0
46).1(.58
.58
=
−+
=
tbtb
tb
tb
xx
x
x
t
tb
= 61,1238
o
C, tra tài liệu tham khảo[(I.2 ) – trang 9], ta có:
ρ
A
= 744,4828 kg/m
3
, ρ
R
= 752,9324 kg/m
3
9324,752
6888,01

4828,744
6888,0
1
1 −
+=
−
+=
R
tb
A
tb
xtb
xx
p
ρ
ρ
Suy ra ρ
xtb
= 747,0919 (kg/m
3
)
)/(0745,19575,1/0919,747055,0/055.0 smpp
ytbxtbtb
===
ω
Để tránh hiện tượng tạo bọt ta chọn tốc độ hơi trung bình đi trong tháp:
ω
tb
= 1,0745 . 0,8 = 0,8596 (m/s)
D

c
=
156,2
8596,0.9575,1
5937,22122
0188,0
).(
0188.0
.3600.
*4
===
tbyy
tb
tb
tb
gV
ωρωπ
(m)
Trang 24
Với :
g
tb
: lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện (kg/h).
ῳ
tb
: tốc độ hơi trung bình đi trong đoạn luyện (m/s).
ρ
tb
: khối lượng riêng trung bình pha hơi (Kg/m
3

).
I.2. Đường kính đoạn chưng
I.2.1.Lượng hơi trung bình đi trong tháp
g’
tb
=
2
''
1
gg
n
+
(kg/h)
Trong đó:
− 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
=370,910 (kmol/h) = 18409,1535 (kg/h)
Xác định g’
1

từ hệ phương trình:





11nn11
ww111
11
.rg=.r'g'=.r'g'
W.x+.yg' =.x'G'
+Wg' =G'
với:
− G’
1
: lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn chưng.
− r’
1
: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng.
• Tính r’
1
:
x
w
=0,0159 (phần mol) tra đồ thị cân bằng của hệ ta có: y
w
= 0,016 (phần mol)
Suy ra: M
tbg’
=58.y

w
+ (1-y
w
).46= 46,192 (kg/kmol)
t’
1
= t
w
= 77,3778 , tra bảng I.212 tr 254, [5] ta có:
− Ẩn nhiệt hóa hơi của Axeton : r’
a1
= 28950,9843 (KJ/kmol)
− Ẩn nhiệt hóa hơi của rượu Etylic : r’
r1
= 39105,7562

(KJ/kmol)
Suy ra: r’
1
= r’
a1
.y
w
+(1- y
w
).r’
r1
= 38943,2798(KJ/Kmol)
• tính r
1

:
r
1
= 39988,2934

- 10272,2836y
1
=36878,8732 (KJ/kmol)

Trang 25