Thiết kế hệ thống chưng cất aceton acid acetic

MỞ ĐẦU
Ngày nay cùng với sự phát triển vượt bậc của nền công nghiệp thế giới và
nước nhà, các ngành công nghiệp cần rất nhiều hoá chất có độ tinh khiết cao .
Chưng cất là một trong các quá trình hay dùng để làm sạch các chất lỏng. Việc
thiết kế hệ thống chưng cất, với mục đích là tách aceton ra khỏi hỗn hợp Aceton –
Acid Acetic là một trong các nhiệm vụ của kỹ sư ngành công nghệ hóa học .
Vì thế, đề tài  Thiết kế hệ thống chưng cất Aceton –Acid Acetic  của môn 
Đồ An 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.
Tập thuyết minh đồ án môn học này gồm 7 phần :
Phần I : Tổng quan
Phần II : Thuyết minh qui trình công nghệ
Phần III : Cân bằng vật chất và năng lượng
Phần IV : Tính toán các kích thước cơ bản của tháp
Phần V : Tính chóp và trở lực của tháp
Phần V I : Tính toán cơ khí
Phần VII : Tính thiết bị truyền nhiệt
Phần VIII : Tính chiều cao bồn cao vị
Phần IX : Tính cách nhiệt
Phần X : Tính toán giá thành cho thiết bị
Tài liệu tham khảo
Để hoàn thành đồ án này , thực sự em đã cố gắng rất nhiều . Song , vì đây là
bước đầu làm quen với công tác thiết kế nên chắc hẳn không tránh khỏi những sai
sót.
Cuối cùng , em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Máy – Thiết
Bị , đặc biệt là thầy Trần Tấn Việt , người đã trực tiếp hướng dẫn và giúp đỡ em rất
nhiều trong suốt thời gian thực hiện đồ án thiết kế này .
I-TỔNG QUAN:
Aceton và acid acetic là hai loại hoá chất quan trọng trong nghành công nghiệp
hóa chất.
Aceton : Phần lớn được dùng làm dung môi nhất là trong công nghiệp sản xuất

nhựa, vecni, chất dẻo. Aceton làm dung môi tốt đối với các nitro xeluloza, acetyl
xenluloza. Nó ít độc nên được dùng làm dung môi cả trong công nghiệp dược phẩm
và thực phẩm. Aceton còn được dùng làm nguyên liệu để tổng hợp một số lớn các
hợp chất xeten, izopren, oxit mezytyl, rượu diacetomic…
Acid acetic: là một loại acid quan trọng nhất trong các loại acid hữu cơ. Nó rẻ
nên được ứng dụng rộng rãi 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.
Chưng cất là quá trình dùng nhiệt để tách một hỗn hợp lỏng ra thành các cấu
tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp ở cùng một
nhiệt độ
Về thiết bị : có thể sử dụng các loại tháp chưng cất sau :
-Tháp chưng cất dùng mâm xuyên lỗ hoặc mâm đĩa lưới
-Tháp chưng cất dùng mâm chóp
-Tháp đệm (tháp chưng cất dùng vật chêm )
Nhận xét về ưu khuyết điểm của từng loại tháp :
-Tháp mâm xuyên lỗ
Ưu điểm : chế tạo đơn giản , vệ sinh dễ dàng , trở lực thấp hơn tháp chóp , ít tốn
kim loại hơn tháp chóp
Nhược điểm : yêu cầu lắp đặt cao : mâm lắp phải rất phẳng , đối với những tháp có
đường kính quá lớn (>2.4m) ít dùng mâm xuyên lỗ vì khi đó chất lỏng phân phối
không đều trên mâm
-Tháp chóp
Ưu điểm : hiệu suất truyền khối cao , ổn định , ít tiêu hao năng lượng hơn nên có số
mâm ít hơn

Nhược điểm : chế tạo phức tạp , trở lực lớn
-Tháp đệm :
Ưu điểm :chế tạo đơn giản , trở lực thấp
Nhược điểm :hiệu suất thấp , kém ổn định do sự phân bố các pha theo tiết diện
tháp không đều , sử dụng tháp chêm không cho phép ta kiểm soát quá trình chưng cất
theo không gian tháp trong khi đó ở tháp mâm thì quá trình thể hiện qua từng mâm
một cách rõ ràng , tháp chêm khó chế tạo được kích thước lớn ở qui mô công nghiệp
Đề tài của đồ án môn học :
Đề tài của đồ án môn học là :Thiết kế tháp chưng cất dùng mâm chóp với những dữ
kiện cơ bản sau:
Nguyên liệu đầu vào (nhập liệu ) là hỗn hợp Aceton – Acid acetic
Nồng độ Aceton trong nhập liệu là 30% khối lượng.
Năng suất nhập liệu là 3000 kg /h
Nồng độ Aceton trong sản phẩm đỉnh là 97% khối lượng.
Nồng độ Aceton trong sản phẩm đáy là 0,5 % khối lượng.
Tháp hoạt động liên tục , chưng cất ở áp suất thường
II-THUYẾT MINH QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ:
Nhập nguyên liệu là hỗn hợp Aceton – Acide acetic được đưa vào bồn chứa
nguyên liệu. Sau đó nhập liệu được bơm đưa lên bồn cao vị. Từ đây nhập liệu qua
thiết bị gia nhiệt bằng hơi nước bão hòa đưa nhiệt độ nhập liệu từ 30
o
C lên nhiệt độ
sôi 85,8
o
C và đưa vào tháp chưng cất tại mâm nhập liệu.
-Hơi ra ở đỉnh tháp được dẫn qua thiết bị ngưng tụ, tại đây hơi được ngưng tụ hoàn
toàn thành lỏng bão hòa , được hoàn lưu vào tháp với tỷ số hoàn lưu R và phần còn lại
đưa đi làm nguội bằng thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh
-Lỏng ở đáy tháp được dẫn qua nồi đun kiểu Kettle được đun nóng gián tiếp bằng hơi
nước bão hòa, hơi ở nồi đun dẫn vào tháp để cấp nhiệt cho tháp. Lượng lỏng đi ra

khỏi nồi đun được làm nguội làm sản phẩm đáy.
-Trong tháp, có quá trình tiếp xúc pha và truyền khối giữa hai pha lỏng và hơi. Thiết
bị ngưng tụ, làm nguội được dùng nước để trao đổi nhiệt gián tiếp.
-Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là Aceton và sản phẩm đáy là Acid
acetic .
III. CÂN BẰNG VẬT CHẤT NĂNG LƯỢNG
A-CÂN BẰNG VẬT CHẤT:
a-Xác định các thông số
Ký hiệu:
x
F
, x
D
, x
W
:phân mol Aceton trong nhập liệu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy
F,D,W :suất lượng mol của dòng nhập liệu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy (kmol/h)
M
A
, M
B
:lần lượt là phân tử lượng của Aceton và Axit Acetic (kg/kmol)
-Phân tử lượng trung bình của các dòng
M
F
=x
F
.M
A
+ (1-x

F
).M
B
= 0,3.58 + (1-0.3).60 = 59,4 (kg/kmol)
M
D
=x
D
.M
A
+ (1- x
D
).M
B
= 0,97.58 + (1-0,97).60 = 58,06 (kg/kmol)
M
W
=x
W
.M
A
+ (1- x
W
).M
B
= 0,005. 58 + (1-0,005).60 =59,99 (kg/kmol)
-Suất lượng dòng nhập liệu
F =
F
M

F
=
4,59
3000
=50,505 (kmol/h)


Cân bằng vật chất cho toàn tháp ta có hệ sau:
F = D + W
F.x
F
=D.x
D
+ W.x
W

D =
WD
WF
xx
xx
F


= 50,505



005,097,0
005,03,0

15,439 (kmol/h)
W= F -D =50,505 -15,439 = 35,066 (kmol/h)
Tóm lại ta có bảng sau:
F x
F
D x
D
W x
W
50,505 0,3 15,439 0,97 35,066 0,005
-Tính chỉ số hồi lưu thích hợp:
Sử dụng công thức thực nghiệm : R =1,3.R
min
+ 0,3 (CT IX-25b tr149-STT2)
Với R
min
=
FF
FD
xy
yx


*
*
(CT IX-24 Tr 149 STT2)
Với y
F
*
là phân mol Aceton trong pha hơi cân bằng với x

F
. Từ số liệu bảng tra
IX-2a /tr135 STT2 , thành phần lỏng – hơi cân bằng ta có : x
F
= 0,3 thì y
*
F
= 0,725.
Do đó
R
min
=
3,0725,0
725,097,0


=0,576
Vậy R=1,3 R
min
+ 0,3 =1,3.0,576 + 0,3 = 1,049
b-Xác định số mâm lý thuyết :
Việc xác định số mâm lý thuyết được tiến hành trên đồ thị y-x
-Phương trình đường làm việc của phần cất
y= x
R
R
1
+
1R
x

D
=
x
049,2
049,1
+
049,2
97,0
=0,512x + 0,473
F,x
F
W, x
W
L,x
L

D,x
-Phương trình đường làm việc của phần chưng
y= x
R
fR
1

-
1
1


R
f

x
W
=
x
049,2
271,3049,1 
+
005,0
409,2
271,2
=2,108x – 0,0055
với f=
WF
WD
xx
xx


=
005,03,0
005,097,0


=3,271
Dựng đường làm việc của tháp bao gồm đường làm việc của phần cất và phần
chưng . Trên đồ thị y-x ta lần lượt vẽ các đường bậc thang từ đó xác định được số
mâm lý thuyết là 12 mâm

B-CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG:
a-Nhiệt trao đổi ở thiết bị ngưng tụ

Q
D
=(R+1)D.r
D
(CT 6.15 /TR 256- T10)
 Với r
D
= x
D
.M
A
.r
A
+ (1-x
D
)M
B
.r
B

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8

0.9
1
x
y
 Tại x
D
= 0,97 tra bảng IX-2a trang 135 STT2 ta có T
D
= 56,96
o
C . Tại nhiệt độ
này ta có: r
A
= 522,146 (kj/kg) và r
B
=373,023(kj/kg) (bảng 45 tr.431 T10)
r
D
= 0,97 x 522,146 x 58 + 0,03 x 373,023 x 60 = 30047,376(kj/kmol)
Do đó Q
D
= 2,049.15,437.30047,376 = 264 (kw)
b-Nhiệt trao đổi ở thiết bị gia nhiệt cho nhập liệu từ nhiệt độ 30
o
C đến nhiệt
độ sôi
Q
F
=C
F

.F(T
F
- 30)
 Tại x
F
= 0,3 tra bảng IX-2a trang 135 STT2 ta có T
F
= 85,8
o
C
 Nhiệt dung riêng của nhập liệu tra ở nhiệt độ trung bình T=
2
308,85 
=57,9
o
C
tại nhiệt độ này ta có C
A
=2,298 (kj/kgđộ) , C
B
=2,196 (kj/kgđộ) (Bảng I.153
TR171-STT1).
Ta có C
F
=x
F
C
A
M
A

+ (1-x
F
)C
B
M
B
= 0,3.2,298.58 + (1-0,3).2,196.60 = 132,217
(kj/kmolđộ)
Do đó Q
F
=132,217.50,505 (85,8 -30) = 104(kw)
Nếu coi tổn thất trên đường nhập liệu bằng 5% thì Q
F
= 1,05.104=109,2(kw)
c-Nhiệt làm nguội sản phẩm đay từ nhiệt độ sôi là 117,3
o
C xuống 30
o
C
Q
W
= WC
W
(T
W
-30)
Nhiệt dung riêng được xác định ở nhiệt độ trung bình T=
2
303,117 
=73,65

o
C . Tại
nhiệt độ này tra bảng I.153 TR171-STT1 ta có : C
A
=2,349(kj/kgđộ) ,
C
B
=2,281(kj/kgđộ)
Nên C
W
= x
W
M
A
C
A
+ (1-x
W
)M
B
C
B
= 0,005.58.2,349 + (1-0,005).60.2,281 = 136,857
(kj/kmolđộ)
Do đó Q
W
=35,066.136,857.(117,3-30)=116,4(kw)
d-Nhiệt làm nguội sản phẩm đỉnh từ 56,96
o
C xuống 30

o
C
Q
sp
=C
D
.D(T
D
-30)
Nhiệt dung riêng cũng được xác định ở nhiệt độ trung bình T=
2
3096,56 
=43,48
o
C .
Tại nhiệt độ này ta có : C
A
=2,251 (kj/kgđộ) , C
B
=2,119 (kj/kgđộ)
Tương tự ta tính được C
D
=130,455(kj/kmolđộ)
Do đó Q
sp
= 130,455.15,439.(56,96-30)=15,083(kw)
e-Nhiệt lượng cung cấp cho đáy tháp
Từ cân bằng nhiệt lượng ta có
Q
đ

= DC
D
T
D
+ WC
W
T
W
+ Q
D
– FC
F
T
F
=15,439.130,455.56,96 + 35,066.136,857.117,3
+ 2,049.15,437.30047,376 – 50,505.132,217.85,8 = 293,1 (kw)
Tuy nhiên nếu coi tổn thất nhiệt chiếm khoảng 10% nhiệt lượng ta có Q
đ
= 1,1.293,1
= 322,41 (kw)
IV. TÍNH TOÁN CÁC KÍCH THƯỚC CƠ BẢN CỦA THÁP
a-Khối lượng riêng trung bình của pha hơi
Phần cất : gọi x
pcất
là nồng độ phần mol trung bình của cấu tử A(benzen) trong
pha lỏng của phần cất
Ta có : x
pcất
=
2

FD
xx 
=
2
3,097,0 
=0,635 (phân mol)
Từ đường làm việc của phần cất ta có nồng độ của pha hơi tương ứng là
y
pcất
= 0,512 x
pcất
+ 0,473 = 0,512 x 0,635 + 0,473 = 0,798 (phân mol)
Phần chưng : gọi x
pchưng
là nồng độ phân mol trung bình của cấu tử A trong pha
lỏng của phần chưng
Ta có : x
pchưng
=
2
FW
xx 
=
2
3,0005,0 
=0,153 (phân mol)
Do đó y
pchưng
=2,108x
pchưng

– 0,0055 = 2,108 x 0,153 – 0,0055 = 0,317(phân mol)
Tra đồ thị T-xy ta có nhiệt độ của pha hơi tương ứng là
Từ y
pcất
= 0,798 (phân mol) T
G(cất)
= 82
o
C
Từ y
pchưng
= 0,317 (phân mol) T
G(chưng)
= 103,3
o
C
Khối lượng phân tử trung bình của pha hơi trong phần chưng và phần cất là
M
pcất
= y
pcất
M
A
+ (1-y
pcất
)M
B
= 0,798.58 +(1-0,798)60 = 58,404 (kg/kmol)
M
pchưng

= y
pchưng
M
A
+ (1-y
pchưng
)M
B
=0,317.58 + (1-0,317)60 = 59,366 (kg/kmol)
Giả thiết rằng hơi trong tháp là khí lý tưởng , khối lượng riêng trung bình của pha hơi
trong phần chưng và phần cất là :
Phần cất :

G(cất)
=
)273(4,22
273.
)(

catG
pcat
T
M
=
)27382(4,22
273.404,58

= 2,005 (kg/m
3
)

Phần chưng :

G(chưng)
=
)273(4,22
273.
)(

chungG
pchung
T
M
=
)2733,103(4,22
273.366,59

=1,923 (kg/m
3
)
Do đó khối lượng riêng trung bình của pha hơi trong toàn tháp là :

G
= ( 
G(cất)
+ 
G(chưng)
)/2 =(2,005 + 1,923)/2 = 1,964 (kg/m
3
)
b-Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng

Ở đỉnh : ứng với x
D
= 0,97 tra đồ thị T-xy ta có T
D
= 56,96
o
C . Ở nhiệt độ này , khối
lượng riêng của aceton và axit acetic là: 
A
=749,3 (kg/m
3
) và 
B
= 807,2(kg/m
3
) .
Khối lượng riêng của sản phẩm đỉnh là

L(đỉnh)
= x
D
. 
A
+ (1- x
D
) 
B
= 0,97.814,2 + (1-0,97)807,2 = 1083,95 (kg/m
3
)

Ở đáy : ứng với x
W
= 0,005 tra đồ thị T-xy ta có T
W
= 117,3
o
C . Ở nhiệt độ này , khối
lượng riêng của aceton và acid acetic là: 
A
=668,78 (kg/m
3
) và 
B
= 926,86(kg/m
3
) .
Khối lượng riêng của sản phẩm đáy là

L(đáy)
= x
W
. 
A
+ (1- x
W
) 
B
= 0,005. 668,78 + (1-0,005). 926,86= 925,57 (kg/m
3
)

Do đó khối lượng riêng trung bình của pha lỏng trong toàn tháp tính gần đúng là :

L
=( 
L(đỉnh)
+ 
L(đáy)
)/2=(1083,95 + 925,57)/2=1004,76 (kg/m
3
)
c-Vận tốc hơi trung bình trong toàn tháp
Theo sổ tay tập II trang 175 công thức (IX-105) ta có
(
G

y
)
tb
=0,065
[]
L
G
h


Trong đó

y
: vận tốc trung bình của pha hơi (m/s)


G
, 
L
: khối lượng riêng trung bình của pha hơi và pha lỏng (kg/m
3
)
h: khoảng cách giữa các mâm (m). Giá trị h được chọn sao cho để giảm đến mức
thấp nhất lượng lỏng bị hơi cuốn theo

[]
là hệ số có tính đến sức căng bề mặt
Khi  < 20 (dyn/cm) thì 
[]
= 0,8
 > 20 (dyn/cm) thì 
[]
= 1
Ở đây ta tra bảng có được  = 18,99 (dyn/cm) < 20 nên 
[]
= 0,8
Chọn khoảng cách giữa các mâm là h=0,35 (m)
Do đó
(
G

y
)
tb
=0,065
[]

L
G
h


(1,958. 
y
) = 0,065 .0,8 . 76,1004.958,1.35,0

y
= 0,697 (m/s)
d-Lưu lượng hơi qua tháp :
Phương trình cân bằng vật chất cho bao hình ta có:
g
F
+ g
y
= L
x
+ D
g
tl
= L
x
+ D
Phương trình cân bằng cho cấu tử dễ bay hơi ta có :
g
tl
y
tl

= L
x
x
F
+ Dx
D
(2)
Ở đây coi nhiệt độ trung bình trong toàn tháp là nhiệt độ trung bình của đỉnh và đáy
tháp
T =
2
3,11796,56 
= 87,13
o
C
-Lượng hơi ra khỏi đỉnh tháp :
g
đỉnh
= D + L
o
= D(R+1) = 15,439.(1,049 +1) = 31,635 (kmol/h)
Cân bằng năng lượng ta có :
g
tl
r
tl
= g
đỉnh
r
đỉnh

(3)
với r
tl
= y
tl
r
A
M
A
+ (1-y
tl
)r
B
M
B
= y
tl
.522,146.58 + (1-y
tl
).373,023.60 = 7903,088y
tl

+22381,38 (kj/kmol)
r
đỉnh
= x
D
r
A
M

A
+ (1-x
D
)r
B
M
B
= 0,97.522,146.58 + (1-0,97).373,023.60 =30047,375
(kj/kmol)
Tóm lại ta có hệ phương trình sau :
L
x
= g
tl
–15,439 (1)
g
tl
y
tl
= L
x
.0,3 + 15,439.0,97 (2)
gtl. (7903,088y
tl
+22381,38) = 31,635 . 30047,375 (3)
g
tl
= 35,1 (kmol/h)
y
tl

= 0,595 (mol)
L
x
= 19,661 (kmol/h)


e-Lượng hơi vào phần chưng :
Cân bằng vật chất và năng lượng ta có hệ sau :
L
đáy
= g
đáy
+ W
L
đáy
x
đáy
= g
đáy
y
đáy
+ Wx
W

g
tl
r
tl
= g
đáy

r
đáy

Với r
đáy
= y
đáy
r
A
M
A
+ (1-y
đáy
)r
B
M
B
= 0,005.522,146.58 + (1-0,005)373,023.60 =
22420,9 (kj/kmol)
L
đáy
= g
đáy
+ 35,066
L
đáy
x
đáy
= 0,005g
đáy

+ 0,175
22420,9.g
đáy
= 950556,524
L
đáy
= 77,462 (kmol/h)
g
dáy
= 42,396 (kmol/h)
f-Lưu lượng hơi trung bình trong toàn tháp :
-Lưu lượng hơi trung bình trong phần cất :
g
pcất
=
2
tldinh
gg 
=
2
1,35635,31 
= 33,368 (kmol/h)
-Lưu lượng hơi trung bình trong phần chưng :
g
pchưng
=
2
tlday
gg 
=

2
1,35396,42 
=38,748(kmol/h)
-Lưu lượng hơi trung bình trong toàn tháp :
g =
2
gg
pcatpchung

=
2
368,33748,38 
= 36,058 (kmol/h)
Ở nhiệt độ trung bình là 87,13
o
C thì lưu lượng hơi trung bình (m
3
/h) là :
Q
v
=
o
T
Tg .4,22.
=
273
)27313,87(4,22.058,36 
=1065,482(m
3
/h)

g-Đường kính tháp :
D=
y

0,785
Q
v
=
697,0.785,0
3600/482,1065
= 0,736 (m)
Dựa vào bảng đường kính tiêu chuẩn của các loại tháp chưng luyện ta chọn D =
0,8(m)
h-Xác định số đĩa thực và chiều cao tháp :
Tại đỉnh :
Ta có x
D
= 0,97 T
D
= 56,96
o
C
y
D
*
= 0,998(phân mol)
-Độ bay hơi tương đối :

D
=

D
D
D
D
xy
xy
)1(
)1(
*
*


=
97,0).998,01(
)97,01.(998,0


=15,433
-Độ nhớt động học
Tại nhiệt độ đỉnh ta có : 
A
= 0,235 (Cp) , 
B
= 0,727 (Cp)
lg = x
D
lg
A
+ (1-x
D

)lg
B

lg = 0,97lg(0,235) + (1-0,97)lg(0,727) = -0,614
 = 0,243 (Cp)
Vậy 
D

D
= 15,433.0,243 = 3,754.Tra giản đồ Tập 3-Truyền khối trang 93 ta có E
1
=
0,38
Tại đáy :
Tương tự ta có :
Độ bay hơi tương đối : 
W
= 3,277
Độ nhớt động học :  = 0,373

W

W
=1,223 E
2
= 0,49
Tại mâm nhập liệu :
Tương tự ta có :
Độ bay hơi tương đối : 
F

= 6,152
Độ nhớt động học :  = 0,390

F

F
=2,401 E
3
= 0,42
i-Hiệu suất trung bình của toàn tháp :
E =
3
321
EEE 
=
3
42,049,038,0 
=0,43
j-Số mâm thực tế :
N
th
=
E
N
LT
=
43,0
12
= 29 (mâm)
k- Số mâm thực tế phần cất :

N
thpc
=
E
N
LTPC
=
43,0
3
= 7 (mâm)
l- Số mâm thực tế phần chưng:
N
thpch
= N
th
– N
thpc
= 29 -7 = 22 (mâm)
m-Chiều cao tháp :
H = (N
th
–1)h + N
th
 + (0,8-1)
Chọn  :chiều dày mâm ( =4mm) , h:khoảng cách giữa các mâm (h=0,35m)
Do đó : H = 28.0,35 + 29.0,004 + 0,8 = 10,7 (m)

V-TÍNH CHÓP VÀ TRỞ LỰC CỦA THÁP :
-Chọn đường kính trong của ống hơi theo tiêu chuẩn là: d
h
= 50(mm )
-Số chóp phân bố trên một mâm : Trong thực tế thường chọn tổng tiết diện ống hơi
trên mỗi mâm =10% . tiết diện tháp nên ta có:
n.
4
.
2
h
d

= 0,1
4
.
2
t
D


n = 0,1
h
t
d

D
2
2
= 0,1
2
2
05,0
8,0
= 25,6
Chọn thiết kế n = 27 chóp / mâm
-Chiều cao chóp trên ống dẫn hơi
h
2
= 0,25d
h
= 0,25.50 = 12,5(mm)
-Đường kính chóp :
d
ch
=
2
2
)2(
chhh
dd

 =
22
)2.250(50  = 73,5(mm)
-Khoảng cách từ chân chóp đến mặt mâm h

sc
: chọn h
sc
= 12,5(mm)
-Chiều cao mực chất lỏng trên khe chóp h
ts
= 15-40(mm) chọn h
ts
=29(mm)
-Chiều cao hình học của khe chóp :
h
so
=
x
yy
g


.
..
2

Trong đó :

:hệ số trở lực của mâm chóp

= 1,5-2 , chọn

=2


y
: vận tốc pha hơi (m/s)

y
=
nd
Q
h
v
..785,0
2
=
27.)05,0.(785,0
3600/482,1065
2
= 5,59 (m/s)

x
,
y
: Khối lượng riêng của pha lỏng và pha hơi (kg/m
3
)
Do đó :
h
so
=
76,1004.81,9
964,1.2.59,5
2

= 0,0125(m) = 12,5(mm)
chọn h
so
= 15,5 mm
-Số lượng khe trên mỗi chóp :
i=
)
4
(
2
so
h
ch
h
d
d
c


= )
5,12.4
50
5,73(
3
14,3
2
 = 25 khe
Với c:khoảng cách giữa các khe (3-4mm) . Chọn c=3 mm
-Chiều rộng khe chóp được xác định từ liên hệ :
i(c+a) = d

ch
a =
i
d
ch
.

- c =
25
5,73.

- 3 = 7 (mm)
-Khoảng cách từ mâm đến chân ống chảy chuyền
Chọn S
1
= 28 (mm)
-Chiều cao ống chảy chuyền
h
c
= (h
ts
+ h
so
+ h
sc
) - h + h
sr

Trong đó :
h : chiều cao mực chất lỏng bên trên ống chảy chuyền . Chọn h = 17 (mm)

Do đó : h
c
= (27 + 12,5 + 12,5 + 5) – 17 = 40 (mm) .
-Bước tối thiểu của chóp trên mâm :
t
min
= d
ch
+ 2
ch
+ l
2

Trong đó :

ch
: bề dày của chóp (mm) .Chọn 
ch
= 2(mm)
l
2
: khoảng cách nhỏ nhất giữa các chóp được xác định theo công thức sau :
l
2
= 12,5 + 0,25d
ch
= 12,5 + 0,25.73,5 = 31 (mm)
t
min
= 73,5 + 2.2 + 31 = 108 (mm)

-Chọn lỗ chóp hình chữ nhật , độ mở lỗ chóp được xác định theo công thức sau:
h
s
=
3/23/23/1
).().().(55,7
s
v
so
GL
G
S
Q
h




Trong đó :
Q
v
: lưu lượng pha hơi (m
3
/s)
S
s
: tổng diện tích các lỗ chóp trên một mâm , m
2

S

s
= n.i.h
so
.a = 27.25.12,5.7.10
-6
= 0,059 (m
2
)
Do đó :
h
s
=7,55
3/23/23/1
)
059,0
3600/482,1065
.()5,12.()
964,176,1004
964,1
.(

=14,9 (mm)
-Phần trăm độ mở lỗ chóp :
%13,96%100.
5,15
9,14
%100. 
so
s
h

h

-Chiều cao mực chất lỏng trên gờ chảy tràn :
h
ow
= 2,84.E.(
3/2
)
w
L
L
Q

Trong đó:
Q
L
: lưu lượng lỏng (m
3
/h)
E : hệ số hiệu chỉnh cho gờ chảy tràn
E = f( ),
5,2
D
L
L
Q
w
w
L

L
w
: chiều dài gờ chảy tràn
Chọn L
w
= 0,6D = 0,6.0.8 = 0,48 (m)
Tính Q
L
:
-Lưu lượng lỏng phần chưng :
Q
ch
= (RD + F).
chL
pchung
M
,

= (1,049.15,439 + 50,505).
38,1025
366,59
= 3,862 (m
3
/h)
-Lưu lượng lỏng phần cất:
Q
cất
=
catL
cat

M
RD
,
.

=1,409.15,439.
19,946
404,58
= 1,343 (m
3
/h)
Do đó :
Q
L
= 602,2
2
343,1862,3
2




chungcat
QQ
(m
3
/h)
Tra bảng phụ lục IX-22 –Sổ tay quá trình và thiết bị tập II trang 177 ta có :
E=1,035
Do đó :

h
ow
= 2,84.1,035.(
07,9)
48,0
602,2
3/2

(mm)
-Gradient chiều cao mực chất lỏng trên mâm :
 = C
g
. 
/
.m
Trong đó :
C
g
: hệ số hiệu chỉnh cho suất lượng pha khí
C
g
= f(1,34
Gy
m
L
w
B
Q

82,0, )

B
m
: bề rộng trung bình của mâm
B
m
=
l
A
. Với A: phần diện tích mâm nằm giữa hai hình viên phân chảy chuyền
A = S
mâm
– 2S
d

S
mâm
=
4
2
t
D

=
4
8,0
.
2

=0,50265 (m
2

)
S
d
: diện tích ống chảy chuyền hình viên phân
S
d
= S
OAmB
- S
OAB

S
OAmB
=
4
2
t
D

= arcsin
t
w
D
L
.
4
2
t
D
=arcsin

4
8,0
.
8,0
48,0
2
=0,103 (m
2
)
S
OAB
=h.L
w
/2 = 0,32.0,48/2 = 0,0768 (m
2
)
(do h =
4
2
2
w
t
L
R  =
4
48,0
4,0
2
2
 = 0,32 (m)

Do đó :
S
d
= 0,103 – 0,0768 = 0,0262 (m
2
)
Ta có : 052,0
50265,0
0262,0

mam
d
S
S

Vậy diện tích hai phần ống chảy chuyền chiếm 10,5% tổng diện tích một mâm
A = S
mâm
– 2S
d
=0,50265 – 2.0,0262 = 0,45025 (m
2
)
-Khoảng cách giữa hai gờ chảy tràn l = D
t
– 2d
w
= 0,8 – 2.0,08 = 0,64 (m)
Do vậy
)(7,0

64,0
45025,0
m
l
A
B
m


Giá trị : 1,34 981,4
7,0
602,2
34,1 
m
L
B
Q

0,82
Gy
w

= 0,82.0,697. 964,1 = 0,801
Tra giản đồ 5.10 tập 3-truyền khối trang 80 ta có : C
g
=0,7
Tính 
/
: Ta có
4

/
= f(h
m
,Q
L
,B
m
,h
sc
)
Trong đó :
h
m
: chiều cao mực chất lỏng trung bình trên mâm
h
m
= h
ts
+ h
sc
+ h
sr
+ h
so
h
ts
: khoảng cách từ mép trên khe chóp đến bề mặt chất lỏng (15-40mm)
Chọn h
ts
= 27 (mm)

h
sc
: khoảng cách từ mép dưới chóp đến mâm (0-25 mm)
Chọn h
sc
= 12,5 (mm)
h
sr
: Khoảng cách từ mép dưới khe chóp đến mép dưới chóp . Chọn h
sr
=
5mm
h
so
: chiều cao khe chóp
h
m
= 27 + 12,5 + 5 + 15,5 = 60 (mm)
Tra giản đồ hình 5.13a-truyền khối tập 3 trang 81 ta có : 4
/
= 6 
/
=1,5
m: số hàng chóp phải trải qua của pha lỏng m = 5
 = 0,7.1,5.5 = 5,25 (mm)
-Độ giảm áp của pha khí trên một mâm
h
t
=h
fv

+ h
s
+ h
ss
+ h
ow
+/2 mm chất lỏng
Trong đó :
h
fv
: độ giảm áp do ma sát nội và biến đổi vận tốc khi pha khí thổi qua chóp lúc
không có chất lỏng được xác định theo công thức sau:
h
fv
=
2
).()(274
r
V
G
L
G
S
Q
K




với S

r
: tổng diện tích hơi của mỗi mâm , m
2

S
r
=n.S
rj
=
4
.
.
2
h
d
n

= 053,0
4
05,0.
.27
2


(m
2
)
-Diện tích hình vành khăn giữa thân chóp và ống hơi
S
aj

= )(
4
22
hch
dd 

=
3622
10.952,110).505,73(
4



(m
2
)
1
rj
aj
S
S
. Tra đồ thị trang 83 truyền khối –Tập 3 ta có : K=0,65
K: hệ số tổn thất áp suất cho tháp khô
h
fv
= 0,65.274.
2
)
053,0
296,0

).(
964,176,1004
964,1
(

=11 mm
h
ss
: chiều cao thủy tĩnh lớp chất lỏng trên khe chóp đến gờ chảy tràn
Ta có : h
w
= h
ss
+ h
so
+ h
sr
+ h
sc

Mà : h
m
= h
w
+ h
ow
+ /2
h
ss
= h

w
– ( h
so
+ h
sr
+ h
sc
) = h
m
– ( h
ow
+ /2 + h
so
+ h
sr
+ h
sc
)
h
ss
= 60 - (9,07 + 5,25/2 + 15,5 +5 +12,5) = 20,31 (mm)
Do đó :
h
t
=h
fv
+ h
s
+ h
ss

+ h
ow
+/2 = 11 + 14,9 +20,31 + 9,07 + 5,25/2 = 57,9 (mm)
-Kiểm tra sự hoạt động ổn định của mâm
Điều kiện :   ( h
fv
+ h
s
)/2
Ta có : (h
fv
+ h
s
)/2 = (11+14,9)/2 =13 >  . Chứng tỏ mâm hoạt động ổn định
-Chiều cao gờ chảy tràn :
h
w
= h
m
– (h
ow
+/2) = 60 - (9,07 + 5,25/2) = 48,3 (mm)
-Chiều cao mực chất lỏng không bọt trong ống chảy chuyền
h
d
=h
w
+ h
ow
+ h

t
+ h
d’
+  (mm chất lỏng)
Trong đó : h
d’
: tổn thất thủy lực do dòng chảy từ trong ống chảy chuyền vào mâm
h
d’
= 0,128
2
)
100
(
d
L
S
Q
=0,128.
2
)
0262,0.100
602,2
( = 0,126 (mm)
h
d
= 48,3 + 9,07 + 57,9 + 0,126 + 5,25 =120,6 (mm)
Chiều cao h
d
là thông số để kiểm tra khoảng cách mâm . Nếu h

d
< H/2 thì mâm hoạt
động bình thường không bị ngập lụt (H: khoảng cách giữa các mâm )
Vì H/2 = 175 > h
d
nên mâm hoạt động bình thường
-Chất lỏng chảy vào ống chảy chuyền : Để kiểm tra xem chất lỏng chảy vào ống chảy
chuyền có đều hay không và chất lỏng không va đập vào thành bình ta tính thông số
d
tw
= 0,8
o
ow
hh . = 0,8 )(
dwow
hhHh  = 0,8 )6,1203,48350(07,9  =40,1
d
tw
< 0,6.d
w
= 0,6.80 = 48
Điều này chứng tỏ chất lỏng không va đập thành bình và xem như chất lỏng chảy vào
ống chảy chuyền là đều
-Độ lôi cuốn chất lỏng
 =
eL
e


Trong đó : e: lượng chất lỏng bị lôi cuốn (mol/h)

L :lượng chất lỏng chảy xuống (mol/h)
 được xác định theo công thức thực nghiệm :
 = f(
2/1
'
'
)(
L
G
G
L


) = f(
)073,0())
8,795
815,2
(
1204.815,2
615,4203
2/1
f

%7,91%100.
175
5,160
%100.
2/

H

h
d

Tra giản đồ 5.15 trang 82 –truyền khối tập 3 ta có :  = 0,1

)/(467
9,0
615,4203.1,0
1
.
hkg
L
e 





-Tính toán trở lực của tháp chóp :
Trở lực của tháp chóp được xác định theo công thức :
p = N
t
. p
d

Với : N
t
: số đĩa thực
p
d

: tổng trở lực của một đĩa (N/m
2
)
p
d
=p
k
+ p

+ p
t

p
k
: trở lực của đĩa khô được xác định theo công thức
p
k
=
2
.
.
2
oy
w



Trong đó :  : hệ số trở lực thường  = 4,5-5 . Chọn  = 5

y

: khối lượng riêng trung bình của pha hơi (kg/m
3
)
w
o
: vân tốc khí qua rãnh chóp được xác định theo công thức :

nd
Q
w
h
v
o
..785,0
2
 =
27.05,0.785,0
296,0
2
= 5,59 (m/s)
Do vậy : p
k
= 43,27
2
59,5.964,1
.5  (N/m
2
)
p


: trở lực do sức căng bề mặt được xác định theo công thức sau:
p

=
td
d

.4

Trong đó:

: sức căng bề mặt (N/m).Tra sổ tay ta có  =18,99 (dyn/cm) = 18,99 .10
-3
(N/m)
d
td
=
3
6
10).5,152(2
10.5,15.2.4
)(2
..4.4






so

sox
ha
haf

=3,5.10
-3
(m) =3,5 mm
Do vậy : p

=
3
3
10.5,3
10.99,18.4


=21,7 (N/m
2
)
p
t
: trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa (trở lực thủy tĩnh) được xác định theo công
thức
p
t
=
b
.g.(h
b
– h

so
/2) (N/m
2
)
Trong đó : 
b
: khối lượng riêng của bọt 
b
= (0,4-0,6) 
L

Chọn 
b
= 0,5.
L
=1004,76/2=502,38 (kg/m
3
)
h
b
:chiều cao lớp bọt trên đĩa , m được xác định theo công thức :
h
b
=
b
bxchbxxxc
F
fhhfhFhh



.
.).(..)1)(( 

Trong đó :
h
c
:chiều cao phần chảy chuyền viên phân trên mâm ,m
h
x
: chiều cao lớp chất lỏng không bọt trên mâm , m
: chiều cao mực chất lỏng trên mâm , m
F:phần bề mặt đĩa có gắn chóp , m
2

f: tổng tiết diện của chóp trên đĩa , m
2

f =0,785.d
ch
2
.n = 0,785.73,5
2
.27.10
-6
= 0,1145 m
2

h
ch
: chiều cao của chóp , m

Ta có : h
h
=h
sc
+ h
sr
+ h
so
+ h
ts
- - h
2
= 12,5 + 5 + 15,5 + 27- 5,25 –12,5 =42,25(mm)
h
ch
= h
h
+12,5 = 42,25 + 12,5 = 54,75 (mm)
Do vậy :
h
b
=
1000.38,502.45025,0
38,502.1145,0).6075,54(1145,0.38,502.6076,1004).145025,0).(6025,540( 

h
b
= 0,05 m =50 mm
Vậy:
p

t
= 502,38.9,81.(0,05 –0,0155/2) = 208,22 N/m
2

p
d
= 27,43 + 21,7 + 208,22= 557,35 N/m
2

Trở lực của tháp chóp :
p = N
t
. p
d
= 29.557,35 =16163 N/m
2


VI-TÍNH TOÁN CƠ KHÍ :
a-Tính bề dày thân thiết bị :
-Nhiệt độ tính toán trong tháp lấy bằng nhiệt độ cao nhất trong thiết bị : T = 117,3
o
C.
-Ap suất tính toán : tính cho trường hợp xấu nhất là chất lỏng dâng lên đầy tháp
p= p
mt
+ p +p
cl
= 10
5

+ 16163 + 10,7.1004,76.9,81 = 221629,643 N/m
2
= 0,222
N/mm
2

-Điều kiện làm việc của thân tháp : chịu áp suất trong
-Chọn vật liệu làm tháp là thép không gỉ với mác thép X18H10T
Ở nhiệt độ 117,3
o
C tra giản đồ 1-2 trang 22-Chế tạo máy hóa chất ta có :