Đề tài THIẾT kế THÁP CHƯNG cất cồn THÔ với NĂNG XUẤT THEO NGUYÊN LIỆU đầu vào 5000 KG h

MỞ ĐẦU

Trong nhiều ngành sản xuất hoá học cũng như sử dụng, nguyên liệu cần
có độ tinh khiết cao .Để có được sản phẩm có độ tinh khiết cao, ta cần tách
chúng từ hỗn hợp nguyên liệu, thường hỗn hợp lỏng hoặc hỗn hợp khí
Các phương pháp phổ biến để tách riêng hỗn hợp cũng như nâng cao
nồng độ gồm: chưng cất , trích ly ,cô đặc ,hấp thu …
Tuỳ theo đặc tính của hỗn hợp cũng như yêu cầu của ssản phẩm mà ta
chọn phương pháp tách phù hợp
.Đối với hệ etanol-nước để tách cồn và nước , nâng cao nồng độ cồn ta
dùng phương pháp chưng cất.
Chưng cất là quá trình tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng hoặc hỗn
hợp khí thành những cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của chúng
trong hỗn hợp.
Có nhiều phương pháp chưng cất khác nhau:
• Chưng cất đơn giản
• Chưng bằng hơi nước trực tiếp
• Chưng gián đoạn …
Thiết bò chưng cất có nhiều loại:
• Tháp mâm chóp
• Tháp đệm
• Tháp mâm xuyên lỗ
Qúa trinh chưng cất được ứng dụng rộng rãi và có ý nghóa quan trọng trong kó
thuật hóa học. Tuỳ theo tính chất của hệ cấu tử đem chưng cất, độ tinh khiết
của sản phẩm, hiệu suất chưng cất, … mà ta chọn phương pháp và thiết kế tháp


cho phù hợp. Vì vậy việc thiết kế tháp chưng cất cho phù hợp với yêu cầu sản
xuất, đáp ứng yêu cầu kó thuật và quan tâm đến tính kinh tế là vấn đề quan
trọng.
Đồ án môn học này thiết kế tháp chưng cất cồn thô với năng xuất theo

nguyên liệu đầu vào 5000 kg/h. Nồng độ dung dòch đầu 35% (khối lượng), sản
phẩm đỉnh có độ thu hồi 99.5% Tháp chưng loại mâm chóp tròn , đun bằng cách
sục hơi nước trực tiếp, đáy chủ yếu là nước. Áp suất hơi đốt :2.5 at

Tập đồ án môn học này gồm 7 phần :

Phần 1: giới thiệu sơ lược về etanol
Phần 2: Thuyết minh quy trình
Phần 3: Cân bằng vật chất
Phần 4: Tính kích thước tháp
Phần 5: Tính cơ khí
Phần 6: Tính cân bằng năng lượng
Phần 7: Tính các thiết bò phụ
Kết luận
Tài liệu tham khảo
PHẦN 1: SƠ LƯC VỀ ETANOL (hỏi thằng Trí thêm)
1. Tính chất vật lý cơ bản của Etanol:
Hệ số bay hơi K của etylic
% khối lượng
rượu

Hệ số bay
hơi

% khối lượng
rượu

Hệ số bay
hơi

10
8
6
4
2

5.16
5.78
6.63
7.80
9.25

0.9
0.7
0.5
0.3
0.1

10.6
11.1
11.3
11.2
11.0

Quan hệ giữa nồng độ rượu và nhiệt độ sôi
% khối lượng
Thể
Thể
lỏng

hơi
0.1
0.5
1.0
10
15
20
25
30
40
50
60
70
80
90

1.3
6.1
10.75
52.2
60
65
68.7
71.3
74.6
77
79.5
82.1
85.8
91.3

Nhiệt
% phân tử
độ
Thể lỏng Thể hơi
sôi
o
C
99.8
0.04
0.51
99.3
0.19
2.48
98.75
0.39
4.51
91.3
4.16
29.92
89.0
6.46
36.98
87
8.92
42.09
85.7
11.55
46.08
84.7

14.35
49.16
83.1
20.68
53.46
81.9
28.12
56.71
80.96
36.98
60.29
80.2
47.72
64.21
79.5
61.02
70.09
78.5
77.8
80.42

Khối lượng riêng và thể tích riêng của hỗn hợp etilic-nước ở áp
suất

P= 1 & 1.1 at

% khối Nhiệt
lượng độ sôi,
o
trong

C

Khối
lượng 1
m3 ở

Thể
tích
của 1

Nhiệt
độ sôi,
o
C

Khối
lượng
1 m3 ở

Thể
tích của
1 Kg ,


hơi
0
5
10
25
50

75
100

100.0
99.5
99.0
98.0
92.4
84.5
78.4

P=1.1
at
0.638
0.670
0.693
0.768
0.95
1.247
1.75

Kg ,
m3
1.567
1.492
1.443
1.302
1.052
0.802
0.571

100.0
95.0
91.5
85.8
81.9
79.7
78.2

P=1.0
at
0.589
0.620
0.643
0.722
0.887
1.145
1.592

m3
1.697
1.513
1.555
1.385
1.127
0.812
0.622

2. Các nguồn điều chế Etanol :
a. Hidrat hóa anken: Đun nóng anken với nước

CH2 =CH2 + H-OH  CH3-CH2-OH
Phương pháp này được dùng phổ biến trong sản xuất công nghiệp
b. Thuỷ phân dẫn xuất halogen trong dung dich kiềm
C2H5-Br + NaOH  C2H5-OH + NaBr
Phương pháp này chỉ dùg trong phòng thí nghiệm.
3. Ứng dụng của Etanol:
- Là nghuyên liệu để sản xuất cao su tổng hợp .
- Rượu etylic dùng để điều chế một số hợp chất hữu cơ như acid acetic,
dietyl ete, etylacetat…
- Do có khả năng hoà tan tốt một số chất hữu cơ nên rượu etylic dùng
để pha vecni, dược phẩm , nước hoa…
- Khi cháy toả nhiều nhiệt nên rượu etylic còn được dùng làm nhiên
liệu
PHẦN 2: THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
Chưng cất được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp hóa học và có khả
năng tách hoàn toàn hỗn hợp các cấu tử dễ bay hơi có tính chất hòa tan một
phần hoặc hoàn toàn. Hỗn hợp cần chưng cất là etanol-nước.
Để cho qúa trình chưng cất được liên tục cần cho hỗn hợp đi vào phân li
tiếp xúc trực tiếp với luồng hơi có nộng độ cấu tử khó bay hơi lớn hơn so với
dung dòch. Do đó trong hệ thống thiết bò để chưng cất liên tục, tháp gồm hai
phần đoạn chưng và đoạn luyện.


đoạn chưng của tháp xảy ra: cấu tử dễ bay hơi được tách ra khỏi chất
lỏng chảy ở trên xuống, còn ở đoạn cất thì hơi đi lên càng giàu cấu tử dễ bay
hơi.
Hệ thống thiết bò chưng cất (xem sơ đồ) :
Hỗn hợp etanol-nước có nồng độ 35%(khối lượng) etanol tại bình chứa 3
có nhiệt độ 25 0C được bơm vào thiết bò gia nhiệt 2. Ở đó hỗn hợp được làm
nóng lên đến nhiệt độ sôi của nhập liệu (tF =83.8oC), sau đó được đưa vào tháp

chưng cất. Từ thiết bò gia nhiệt, hỗn hợp đi vào tháp chưng cất 1, ở đóa nhập liệu
(đóa trên cùng của đoạn chưng). Tại đây qúa trình chưng cất xảy ra.
Trên đóa nhập liệu , chất lỏng được trộn lẫn với phần lỏng từ đoạn cất của tháp
chảy xuống. Trong tháp hơi đi từ dưới lên gặp chất lỏng đi từ trên xuống. Hơi từ
đóa dưới đi vào các ống hơi của các chóp, vào trục qua lớp chất lỏng, một phần
chóp ngập vào chất lỏng , chóp có răng cưa , hơi đi qua đó, tạo thành những tia
rất nhỏ để làm tăng bề mặt tiếp xúc giữa hơi và lỏng. Vì nhiệt độ càng lên trên
càng thấp nên phần dưới là cấu tử có nhiệt độ bay hơi cao. Trên đỉnh, ta thu
được hỗn hợp hơi gồm etanol chiếm tỉ lệ cao. Hơi đó đi vào thiết bò ngưng tụ 5
và được ngưng tụ hoàn toàn, thiết bò ngưng tụ với chất làm lạnh là nước, nhiệt
độ vào là 25 oC , nhiệt độ ra là 45oC
Một phần chất lỏng ngưng đi qua thiết bò làm nguội sản phẩm 4, phần còn
lại của chất lỏng ngưng được hồi lưu về tháp ở đóa trên cùng với chỉ số hồi lưu
R= 2.5
Chất lỏng đi từ trên xuống gặp hơi có nhiệt độ cao hơn , một phần cấu tử
có nhiệt độ sôi thấp : etanol được bốc hơi ra do đó nồng độ cấu tử khó bay hơi
trong chất lỏng ngày càng tăng và cuối cùng ở đáy thápthu được hỗn hợp lỏng
hầu hết là nước. Dung dòch lỏng ở đáy tháp ra khỏi tháp một phần dược đưa vào
thiết bò nồi hơi để đung bốc hơi cung cấp cho tháp, một phần qua thết bò làm
nguội sau đó đưa vào bình chứa.
Hệ thống làm việc liên tục cho etanol ở đỉnh tháp
PHẦN 1: TÍNH TOÁN THÁP
Cân bằng vật chất và năng lượng cho toàn tháp trong trường hợp đun bằng
hơi nước trực tiếp:
Cồn loại 1 theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN-71) > = 96%(tt)
Chọn xD= 96%(tt) . Đổi ra 92.8% (khối lượng)
F + Gn+1 = D + W
FxF + 0 = DxD + WxW

FhF +Gn+1HG n+1= DHD + WHW + QC
QC = (R+1)D (HG – HD)
R = 1.3 Rm + 0.3
Lượng Etanol có trong nhập liệu:
Lượng Etanol có trong sản phẩm đỉnh:
Suất lượng sản phẩm đỉnh:

5000* 0.35= 1750 kg/h
0.995*1750=1741.25 kg/h
1741.25
D= 0.928 kg/h

Đổi ra phân mol:
xF
xF =

xD=

xF

M E tan ol
0.928

0.928

M E tan ol
+ (1 − x F )

46
0

+ .072

0.35
=
M nuoc

0.35

46
= 0.174
+ 0.65
46
18

=0.834

46
18
xF = 0.174 từ đồ thò T-x,y => yF* = 0.51
Từ đồ thò, kẻ tiếp tuyến => yo = 0.31
xD
Ta có
= yo => Rmin = 1.69
( R + 1)
R = 1.3 Rm + 0.3 = 1.3* 1.69 + 0.3 = 2.4974 , lấy Rmin = 2.5
MtbF = xF* M etanol + (1- xF) Mnước
= 0.174*46 + (1- 0.174)*18
= 22.872 kg/ kmol
F
= F/Mtb,F = 5000/ 22.872 = 218.6 kmol/h

D
= D/ Mtb,D= 1876.35/ 41.352= 45.375 kmol/h
Mtb,D = 0.834 *46 +(1-0.834) *18 = 41.352 kg/kmol
Mtb,W= 18.02 kg/kmol
Từ giản đồ (T-xy)
xF= 0.174 => tF,L= 83.8oC
xD= 0.834 => tD,L= 78.6oC
CF= 3.81 kj/kgoC
CD= 3.325 kj/kgoC
Cw= 4.18 kj/kgoC (Sản phẩm đáy xem như là nước nguyên chất ).
Hơi nước bão hoà ở Pt d = 2 at.
Có HG h= 2710 kj/kg.
Qui về to = 20oC :
HG h= [2710 kj/kg -4.18 kj/kg(20oC -0OC) ]-18kg/kmol
= 47275.2 kj/kmol.
Sản phẩm đáy xem như là nước nguyên chất , sôi ở 1 at => Hw=415,2 kj/kg


 Hw = 415.2 kj/kg ×18 kg/kmol =7473.6 kj/kmol
(t chuẩn = 20oC)
Quy về 20oC :
Hw =7473.6 -18×4.18×20
= 5968.8kj/kmol.
• HF = CF( tF-to)×Mtb,F + ∆Hs
Xem CF = const ,

∆Hs = 0,

HF = 3.81 kj/kgoC×(83.8 oC -20oC)×22.872 kg/kmol
= 4640.36 kj/kmol.

• HD = 3.325 kj/kgoC×(78,6oC – 20oC)× 40.344 kg/kmol
= 7860.8 kj/kmol
Như vậy hệ phương trình (I) được viết lại :
218.6 + Gn+1 = 45.375 +W
218.6 *0.174 = 45.375*0.834 + W
218.6*4640.36 + 45275.2 Gn1 = 45.375*7860.8 + 5968.8*W+4565857.7
• QC = (R+1)*D*(HG – HD)
= (2.4974 +1)*45.375*(47275.2-7860.8)
= 4565857.7 kj/kmol.
Giải hệ phương trình trên ta được :
Gn= 119.645 kmol/h
W = 292.87 kmol/h
XW = 0.00066
Nồng độ
Suất lượng
Phần mol
Phần khối lượng Phần mol
Phần khối
Đỉnh
lượng
Nhập liệu
0.834
0.9277
45.375
1876.35
0.174
0.35
218.6
5000
0.00066

0.00168
292.87
5277.5
-

Phương trình đường làm việc phần luyện biểu thò quan hệ giữa nồng độ của cấu tử
có nhiệt độ sôi thấp; trong hơi đi lên (y) ,trong chất lỏng chảy xuống (x), trong sản
phẩm (xD) chỉ số hổi lưu R và được biểu diễn bằng phương trình:
R
xD
Ym+1=
xM +
R +1
R +1
= 0.714 x M + 0.238
Phương trình đường làm việc phần chưng :


R+ f
f −1
xW
x+
R +1
R +1
Phương trình đường làm việc biểu diễn sự ra , vào khỏi một mâm trên tháp. Việc xác
đònh phương trình hai đường làm việc giúp ta xác đònh số mâm lý thuyết & vò trí mâm nhập
liệu .
- Số mâm lý thuyết :
- Vẽ hai đường làm việc trên đồ thò xy. Hai đường này cắt nhau tại một điểm chính
là vò trí mâm nhập liệu. Vẽ các đường bậc thang tạo bởi hai đường làm việc và

đường can bằng (hình vẽ) , ta xác đònh được số mâm lý thuyết cũng là số bậc
thang :15 mâm
- Xác đònh số mâm thực tế
Công thức xác đònh số mâm thực tế : Nt = Nlt/η
η: hiệu suất trung bình của đãi
Ntt: số mâm thực tế
Nlt: số mâm lý thuyết
Hiệu suất mâm η phụ thuộc vào độ bay hơi tương đối & độ nhớt µ của hỗn hợp : η =
f(α,µ)
Độ bay hơi tương đối :
y * 1− x
α==
1− y *
x
• vò trí mâm nhập liệu :
to = 83.8oC [1]
xo = xF = 0.174
yo* = 0.31
0.31 1− 0.174
α=
= 2.133
1 − 0.31 0.174
Ym+1=

độ nhớt µ = 0.6 Ns / m2
 α*µ= 2.133*0.6 = 1.28
tra đồ thò ta được ηo = 0.47 [3] đồ thò IX-11
• tại đỉnh tháp :
tD= 78.6oC
xD= 0.834oC

yD= 0.835oC
µ = 0.5025oC
0.835
1− 0.834
α=
=1
1 − 0.835
0.835
=> α*µ = 0.505
ηD = 0.585 [3]
• tại đáy tháp :
tW = 99.2oC


xW = 0.00066
yW = 0.06
µ = 0.284 Ns/ m2
0.06
1 − 0.00066
α=
= 96.65
1 − 0.06` 0.00066
ηµ = 27.448
ηW = 0.3
hiệu suất trung bình:
η = (ηo + ηD +ηW)*1/3 = (0.47 + 0.585 + 0.3) *1/3= 0.452
số mâm thực tế :
Ntt = Nlt/ η = 15 / 0.452 = 33.21
Chọn Nt = 34 mâm
13

= 28.7
0.452
2
Tính riêng cho phần cất : Nt chưng =
= 4.4
0.452
Vò trí mâm nhậo liệu tại giao điểm đường làm việc phần chưng & phần cất. Đối với
mâm lý thuyết, vò trí mâm nhập liệu là mâm thứ 14. Đối với thực tế nhập liệu ở mâm
thứ 30 đếm từ trên xuống
Vậy: số mâm thực là 33 mâm (trừ 1 mâm làm nồi đun)
Vò trí nhập liệu trên mâm thứ 30 (tính từ trên xuống)
Phần cất có 28 đóa
Phần chưng có 5 đóa
Tính riêng cho phần cất : Nt cất =

PHẦN III: KÍCH THƯỚC THÁP
Đường kính tháp được xác đònh theo công thức sau:
4Vtb
D=
,m
3.14 * 3600 * wtb
= 0.0188

gtb
,m
( ρy * wy )tb

trong đó :
Vtb: lượng hơi (khí ) trung bình đi trong tháp , m3/h
wtb: tốc độ hơi (khí ) trung bình đi trong tháp , m/s

gtb: lượng hơi (khí ) trung bình đi trong tháp , kg/h
(ρy wy )tb : tốc độ (khí ) trung bình đi trong tháp , m3/h


lượng hơi (khí ) trung bình đi qua tháp luyện có thể tính gần đúng b82ng trung bình cộng
của lượng hơi đi ra khỏi đóa trên cùng của tháp & lượng hơi đi vào đóa dưới cùng của đoạn
luyện
gtb = 0.5(g1+gd)
- lượng hơi đi ra khỏi đóa trên cùng của tháp:
gD = GR + GD = GD + (1+ R)
= 1876.35(1+2.5)
= 6557.225 kg/h
-

lượng hơi đi vào đóa dưới cùng của đoạn luyện:
g1 = G1+ GD
Lượng hơi g1, hàm lượng hơi y1 & lượng lỏng G1 đối với đóa thứ nhất của đoạn luyện được
xác đònh theo hệ phương trình can bằng vật chất và cân bằng nhiệt:
g1 = G1 + GD
g1y1= g1x1 + GDxD
g1r1 = gdrd
xem x1 = xF
r1: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đóa thứ nhất
Ở t = 83.8oC (tại vò trí mâm nhập lòêu )
r1 = retanol y1 + (1-y1)rnước
retanol= 852.72 kj/kg [2]/ 256
rnước = 2303.5 kj/kg [4]/441
thay vào :
r1 = 852.72 y1 + (1-y1) 2303.5
= 957.2 kj/kg

r1= 2303.5 – 1450.78 y1
Ở t = 78.6 oC (mâm trên cùng của tháp)
retanol = 869.44 kj/kg [2]/ 269
rnước = 2315.5 kj/kg [4]/ 441
rD = 869.44* 0.9277 + (1- 0.9277) 2315.5
= 974 kj/ kg
Ta có:
g1 = G1 + 1876.35 (1)
g1y1= 0.35G1 + 1740.69 (2)
3203.5g1- 1450.78g1y1 = 6567.225*974 (3)
Giải hệ 3 phương trình trên ta được
G1 = 2561.48 kg/h
y1 = 0.594
g1 = 4437.8 kg/h
r1 = 1441.35 kj/kg
gtb = 0.5(gd + g1) = 0.5(6567.225 + 4437.8) = 5502.5 kg/h


Xác đònh vận tốc hơi đi trong phần cất :
(ρywy)tb = 0.065 ϕσ Hρρ
Do σhh > 20 dyn/ cm => ϕσ = 1
Chọn chiều cao moat đóa (khoảng cách giữa hai mâm )
H = 400 mm
Tính ρh :
[ ytbMe tan ol + (1 − ytb) Mnuoc]273
22.4T
ytb: phân mol pha hơi trung bìmh trong phần cất
T: nhiệt độ tuyệt đối (oK)
ytb = 0.5(ydt + ytl)
ydt , ytl : nồng độ phần mol của pha hơi tại đỉnh tháp và đóa tiếp liệu

ρh =

0.835 + 0.51
= 0.673
2
T = 273+ ttb
ttb = 0.5(78.6 + 83.8) = 81.2
T = 273 + 81.2 = 354.2 oK
[0.673 * 46 + (1 − 0.673) *18]273
ρh =
= 1.268
22.4 * 354.2
ytb =

1
xtb 1 − xtb
=
+
ρ
ρ
ρ
xtb : phần khối lượng trung bình trong phần cất
xtb = 0.5(xF + xD ) = 0.5(0.35 + 0.9277)= 0.693
Ở ttb = 81.2 oC:
ρetanol = 897 kg/m3
ρnước = 972 kg/m3
1− 0.693
1
0.693
=

+ 972
ρ
897
 ρL = 922.7 kg/m3
Vậy (ρywy)tb = 0.065*1* 0.4 * 922.7 *1.268 = 1.406 (kg/m3.h)
Dluyện = 0.0188
2. Phần chưng:

5502.5
= 1.176 m
1.406


Dchưng = 0.0188

gtb
( ρw)tb

Lượng hơi trung bình: gtb = 0.5(g’1 + g’c)
Lượng hơi ra khỏi đoạn chưng bằng với lượng hơi vào đoạn cất
g’c = g1= 4437.8 kg/h
G’1 + Gnước = g’1+ W (1)
G’1 x’1 = g’1yW + WyW (2)
g’1r’1 = g’cr c + Gnước rnước (3)
Ở đáy:
tW = 99.2oC ; yW = 0.03
retanol = 823.46 kj/kg [2]/ 256
rnước = 2260 kj/kg [4]/ 441
r’1 = y’1retanol + (1- y’1) rnước
y’1: phần khối lượng của hơi tại đáy tháp

y’1 = yw = Metanolyw / Mtb,M = 46*0.055/18.02 = 0.14
yc = y1= 0.594 (Lượng hơi ra khỏi đoạn chưng bằng với lượng hơi vào đoạn cất)
 r’1= 0.14*823.46 +(1-0.14) 2260 = 2059.2 kj/kg
Gnước rnước = (119.465*18)2207 = 4745866.6 kj/h
p suất hơi nước sục vào là 2.5 at (tuyệt đối)
t = 120 oC [4]/427 , rnước = 2207 kj/kg
G’1 + 2150.37 = g’1 + 5277.5
g’1x’1 = 0.14 g’1+ 8.866
2059.2g’1= 4437.8 * 1406.7 + 4745866.6
r’c = 0.594*823.46 + (1- 0.594) 2260
= 1406.7 kj/ kg
giải hệ ba phương trình trên ta được:
g’1 = 5336.3 kg/h
G’1= 8463.43 kg/h
x’1= 0.089
gtb = 0.5( g’1+ g’c) = 0.5(5336.3 + 4437.8) = 4887.05 kg/h
Xác đònh vận tốc hơi đi trong phần chưng :
(ρywy)tb = 0.065 ϕσ Hρρ
Tính ρh :
[ ytbMe tan ol + (1 − ytb) Mnuoc]273
22.4T
ytb: phân mol pha hơi trung bình của pha hơi đi trong phần chưng
T: nhiệt độ tuyệt đối (oK)
ytb = 0.5(y1 + y2)
ydt , ytl : nồng độ phần mol của pha hơi tại đáy tháp và đóa tiếp liệu
ρh =


ytb = 0.5(yd + ytl) = 0.5(0.51 + 0.031) = 0.27
ttb: nhiệt độ trung bình của phần chưng

ttb = 0.5( tw + tF ) = 0.5(99.2 + 83.8) = 91.5 oC
= 91.5 + 273 = 364.5 o K
[0.27 * 46 + (1 − 0.27) *18]273
= 0.855 kg/m3
22.4 * 364.5
1
xtb 1 − xtb
=
+
ρ
ρ
ρ
xtb : phần khối lượng trung bình trong phần chưng
xtb = 0.5(xW + xF ) = 0.5(0.00168 + 0.35)= 0.176
Ở ttb = 91.5 oC:
ρetanol = 928 kg/m3 [4]/397
ρnước = 956 kg/m3 [4]/397
1 − 0.176
1
0.176
=
+ 965
ρ
928
ρh =

 ρL = 958.28 kg/m3
Ở 91.5oC σhh> 20 dyn/cm [2]/299
=> ϕσ = 1
Vậy (ρywy)tb = 0.065*1* 0.4 * 958.28 * 0.855 = 1.2 (kg/m3.h)

4887.05
= 1.2 m
1.2
Chọn D = 1.2 m cho toàn tháp
Dchưng= 0.0188

PHẦN IV: TÍNH CHIỀU CAO THÁP VÀ TÍNH CHÓP
1. Chiều cao tháp:
H = Nt(h + δ) + (0.8÷ 1)m
δ: chiều dày của đóa(3÷5) mm
Chọn δ= 5 mm
Nt : số mâm thực
h: khoảng cách giữa hai đóa
H = 33(0.4 + 0.005)+ 1 = 14.365 m
2. Kiểm tra khoảng cách của đóa :
ρ
FW
Hmin = 23300 (
)
ρ 3.14nd
W: vận tốc hpa hơi ,m/s
F: tiết diện mặt cắt ngang của tháp, m2


n: số chóp trên moat mâm
dch: đường kính chóp, m
Phần cất:
1.268 3.14 * 1.2 * 1.2 * 1.406 * 1000 2
Hmin= 2330
(

)
992.7
4 * 3.14 * 1.268 * 26 * 150
= 0.31 m
Phần chưng:
0.855 3.14 *1.2 *1.2 *1.2 *1000 2
Hmin= 2330
(
)
958.28 4 * 3.14 * 0.855 * 26 *150
= 0.349 m
Thấy rằng trong cả hai phần, Hmin < 400 mm (thỏa)
3. Tính chóp:
3.1 Đường kính ống hơi:
Chọn: dh = 75 mm
3.2 Số chóp phân bố trên đóa:
n = 0.1D2/ d2h = 0.1*1.22 /0.0752 = 25.6
chọn : n = 26 chóp
3.3 Chiều cao chóp phía trên ống dẫn hơi:
h2 = 0.25dh = 0.25*75 = 18.75 mm
3.4 Đường kính chóp:
dch =

2

(d h + (d h + 2δ ch ) 2 )

δch: chiều dài của chóp 2÷3 mm
chọn : δch = 3 mm
dch =

2

(75 + (75 + 2 * 3) 2 ) = 110.39 mm

chọn dch = 120 mm
3.5 Khoảng cách từ mặt đóa đến mép dưới của chân chóp:
h = 0÷25 mm . Chọn = 12.5 mm
3.6 Chiều cao mức chất lỏng trên khe chóp:
hl = 15÷40 mm ; chọn hl = 40 mm
3.7 Chiều cao khe chóp :
2
wy ρ h
hSO = ξ
gρ tb
ξ: hệ số trở lực của đóa chóp; ξ= 1.5÷2 ; chọn ξ= 2
ρh, ρl: khối lượng riêng trung bình của pha hơi & pha lỏng, kg/m3
ωh: vận tốc pha hơi trong tháp, m/s
4 *Vh
ωh=
3600 * 3.14d 2 h n
Vh: lưu lượng hơi đi trong tháp , m3/h


n: số chóp trên một đóa
dh: đường kính ống hơi
g htb
gh
+ g htb ( chung )
Vh=

= tb ( luyen )
ρ htb
2
ghtb= 0.5(5502.5+ 4887.05) = 5194.775 kg/h
ρhtb= 0.5(1.268 + 0.855) = 1.06 kg/m3
5194.775
Vh=
= 4900.7 m3/h
1.06
4 * 4900.7
ωy=
= 11.857 m/s
3600 * 3.14 * 26 * 0.0752
2 * 11.857 2 * 1.06
hso=
= 0.0323 m = 32.3 mm; chọn hso= 35 mm
9.81 * 940.49
3.8 Số khe hở mỗi chóp:
π
d 2h
)
i = (d ch −
c
4hkc
c= 3÷4 mm khoảng cách giữa các khe
chọn : c = 4 mm
π
75 2
(
120

−
) = 62.6 khe; chọn 63 khe
i=
4
4 * 35
3.9 Bề rộng khe:
i ( a+c) = πdch
a= πdch/ i – c = 3.14*120/63 – 4= 1.98 mm
chọn : a= 2 mm
3.10
Đường kính ống chảy chuyền:
4Gltb
dc=
3600πρ lttb ω c
Gltb: lưu lượng lỏng trung bình đi trong tháp, kg/h
z: số ống chảy chuyền
ρltb: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng , kg/m3
ρltb= 940.49 kg/m3
ωc: vận tốc dòng lỏng trong ống chảy chuyền
ωc= 0.1÷ 0.2 m/s
chọn ωc=0.2 m/s
z=1
Phần chưng:
G1= 0.5(G’1+W)= 0.5(8463.43 + 5277.5) = 6870.465 kg/h
Phần cất:


G’1

Gtb

dc=
3.11
3.12

= 0.5( G1+ GD R)
= 0.5(2561.48 + 1876.35* 2.5)
= 3626.177 kg/h
= 0.5(6870.465 + 3626.177) = 5248.32 kg/h
4 * 5248.32
= 0.1 m = 100 mm
3600π * 940.49 * 0.2

Khoảng cách từ đóa đến chân ống chảy chuyền:
hc = 0.25dc= 0.25*100 = 25 mm
Chiều cao mực chất lỏng trên ống chảy chuyền:
Vltb
h= 3
3600 *1.85 * π * d c
Vltb: lưu lượng thể tích trung bình trong tháp , m3/h
Phần cất:
'
G1
3626.177
Vl=
=
= 3.39 m3/h
ρl
922.7
Phần chưng:
Vltb= 0.5(3.93 + 7.71)= 5.55

G1
6870.465
V’l=
=
= 7.17 m3/h
ρl
958.28
how =

3.13

3.14

3

(

5.55 *100
) 2 = 0.0192 m = 19.2 mm
3600 *1.85π *100

Chiều cao gờ chảy tràn:
how= 40 + 35 +12.5 + 5 – 19.2 = 73.3 mm
lấy tròn 73 mm
Độ mở lỗ chóp :
ρ htb
V
)1 / 3 hso2/3( ( htb ) 2 / 3
hs = 7.55 (
ρ l tb − ρ htb

Ss
Ss: tổng diện tích các lỗ chóp trên mỗi mâm
Ss= n*i*a*hso
n: số chóp trên mỗi mâm (26 chóp)
i: số khe mỗi chóp (87 khe)
a: chiều rộng khe chóp (2 mm)
hso: chiều cao khe chóp (35 mm)
Ss= 26*87*2*35*10-6 = 0.1583 m2
1.06
4900.7
)1 / 3 35 2 / 3 (
) 2 / 3 = 35 mm
hs = 7.55(
958.28 − 1.06
3600 * 0.15834
thấy rằng hs ≈ hso , xem như chóp mở hoàn toàn


3.15

Gradien chiều cao mực chất lỏng trên mâm:
∆= Cg. ∆’.n
n : số hàng chóp trên mỗi mâm
Cg: hệ số hiệu chỉnh cho suất lượng pha khí
∆’: gradient chiều cao mực chất lỏng qua một hàng chóp
Tính ∆’:
Vltb
x = 1.34
;
Bm= 0.84D = 0.84*1.2 = 1.0 m

Bm

x = 1.34* 5.55 = 7.437
Chiều cao mực chất lỏng trên mâm:
hm = 40 + 12.5 + 25 + 35 = 112.5 mm
tra đồ thò 5.13
[5]/81
4∆’ = 2 => ∆’= 0.5
ρ
Tính Cg:
Cg = 0.82ωg htb
Ứng với khoảng cách mâm là 400 mm ;
Ta có:
c=0.025
958.28 − 1.06
ωg = 0.025
= 0.7513 m/s
1.06
Cg = 0.28 *0.75 1.06 = 0.633
số hàng chóp trên mỗi mâm: n = 7
∆= 0.633* 0.5* 7= 2.216 mm
3.16
Độ giảm áp do ma sát & biến đổi vận tốc pha khí thổi qua chóp khi không có
chất lỏng :
ρ htb
Vh
)( tb ) 2
hfv = 274K( (
ρ ltb − ρ htb S
S: tổng diện tích ống hơi mỗi mâm, m2

K: hệ số tra theo tỷ số (Saj/Srj) đồ thò 5.16 [5]/83
S aj π * d 2 − π * d 2 120 2 − 75 2
ch
h
=
=
= 1.56 => K= 0.43
S rj
π * d 2h
75 2
π * n(d h + 2δ ) 2 26 * 3.14(75 *10 −3 + 2 * 2 *10 −3 ) 2
=
= 0.127 m2
S=
4
4
1.06
4900.7
)(
) 2 = 15 mm
hfv= 274*0.43*(
958.28 − 1.06 3600 * 0.127
3.17

Chiều cao thủy tónh lớp chất lỏng trên lỗ chóp đến gờ chảy tràn:
hss
= hW – hso – hsr – hsc
= 73 – 35 – 15 – 12.5

3.18

3.19

= 10.5 mm
Độ giảm áp tổng cộng qua một mâm:
ht
= hfv + hs + hss + how + ½ ∆
= 15 + 35 + 10.5 + 19.2 + ½ 2.2
= 80.8 mm
Chiều cao mực chất lỏng không bọt trong ống chảy chuyền:
hd= hw + how + ∆ + ht + hd’
hd’: tổn that thủy lực do dòng lỏng chảy từ ống chảy chuyền vào
Vltb 2
)
hd’= 0.128 (
100 S d
Sd : tiết diện giữa ống chảy chuyền & mâm
Sd= π*dc*hc = π*0.1**0.025 = 0.00785 m2
5.55
) 2 = 6.4 mm
hd’= 0.128 (
100 * 0.00785
hd= 73 + 19.2 + 2.2 + 80.8 + 6.4 = 181.6 mm
hmam
hd= 181.6 ≤
= 400/ 2 → tháp làm việc không ngập lục
2
BẢNG TÓM TẮT:

STT Tên gọi
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18

Đường kính trong của ống hơi của chóp
Số chóp phân bố trên mâm
Đường kính trong của chóp
Chiều cao mực chất lỏng trên khe chóp
Chiều cao chóp phía trên ống dẫn hơi
Khoảng cách từ mặt đóa đến mép dưới chân chóp
Chiều cao khe chóp
Số lượng khe hở của mỗi chóp
Chiều rộng khe chóp
Khoảng cách giữa các khe

Đường kính ống chảy chuyền
Khoảng cách từ đóa đến chân ống chảy chuyền
Chiều cao ống chảy chuyền trên đóa
Chiều cao mực chất lỏng trên ống chảy chuyền
Bước tối thiểu của chóp trên đóa
Số lượng ống chảy chuyền
K/c từ tâm ống chảy chuyền đến tâm chóp gần nhất
Chiều dày chóp

Kí
hiệu
dh
n
dch
hl
h2
h
hso
i
a
c
dc
hc

Kích
Số lượng
thước(mm) (cái)
75
26
120

40
18.75
12.5
35
63
2
4
100
25

how

19.2

Nt*z
t1
δ1

33*2
3


19
20
21
22
23
24

Chiều dày đóa

Chiều dày ống chảy chuyền
Chiều cao gờ chảy tràn
Độ mở của chóp
Gradien chiều cao mực chất lỏng trên mâm
Độ giảm áp do ma sát và biến đổi vận tốc pha khí

δ2
δ3
hw
hs
∆
hfv

5
3
73
35
2.216
15

PHẦN V: TÍNH TRỞ LỰC CỦA THÁP
Trở lực toàn tháp:
∆p = Ntt. ∆pd
Ntt: số đóa thực của tháp
∆pd: tổng trở lực 1 đóa
∆bd = ∆pk + ∆ps + ∆pt
• Phần cất:
Trở lực đóa khô:
2
ρ hω o

∆pk = ξ
2
ξ: hệ số trở lực ; ξ = 4.5÷5; chọn ξ = 5
ρh: khối lượng riêng của pha hơi, ρh = 1.268 kg/m3
ωo: vận tốc qua rãnh chóp
Vy
ωo =
n.i.a.hso
GD ( R + 1) * 22.4Tm
1876.35(2.5 + 1) * 22.4( 273 + 81.2)
Vy =
=
= 1.282 m3/s
M DTo 3600
41.352 * 273 * 3600
1.282
ωo=
= 11.18 m/s
26 * 63 * 2 * 35 *10 −6
1.268 *11.18 2
∆pk= 5
= 369.29 N/ m2
2
Trở lực do sức căng bề mặt:
4σ
∆ps =
=
d td
σ : sức căng bề mặt (N/m2)
Ở 81.2oC : σ = 2 dyn / cm [2,301]

dtd : đường kính tương đương của khe rãnh chóp (m)


4ahso
4 * 2 * 35
=
= 3.784*10-3 (m)
2(a + hso )
2(2 + 35)
4 * 21
∆ps =
= 22.2 N/ m2
3.784 *10 −3 *10 3
Trở lực lớp chất lỏng trên đóa:
∆pt= ρb*g(hb – hso/ 2)
ρb: khối lượng riêng của bọt, kg/ m3
hb: chiều cao lớp bọt trên đóa, m
hx: chiều cao lớp chất lỏng không lẫn bọt trên đóa, m
hx = hsc + hso/ 2 = 12.5 + 35/2 = 30 mm
ρb = (0.4÷0.6) ρx = 0.5*922.7 = 461.35 kg/ m3
(hw − how − hx )( F − f ) ρ x + hx ρ b f + (hch − hx ) fρ b
hb =
Fρ b
dtd =

hch: chiều cao chóp
hch
= hsr + hsc + hso + h1 + h2
= 5 + 12.5 + 35 + 40 + 18.75
= 111.25 mm

F: phần bề mặt của đóa có gắn chóp, m2
Tổng diện tích hình viên phân trên đóa:
Svp
= 0.5R2 (α- sinα ), α (rad)
= 0.5*0.62( 2.071- 0.9)
= 0.2 m2
Diện tích của đóa:
SD = πD2/ 4 = π 1.22 / 4 = 1.13 m2
f: tổng diện tích các chóp trên đóa, m2
f
= 0.785 D2ch*n
= 0.785*0.122*26 = 0.3 m2
F
= 1.13- 2*0.2 = 0.73 m2
hb=
(73 − 19.2 − 30)(0.73 *10 3 − 300) * 922.7 *10 −6 + 0.03 * 461.35 * 0.3 + (0.111 − 0.03) * 0.3 * 461.4
0.73 * 461.35
= 0.736 m
∆pt
= 461.35*9.81 ( 0.0736 - 35*10-3 / 2)
= 254.1 (N/m2)
Trở lực một đóa:
∆pd
= ∆pk + ∆ps + ∆pt
= 396.29 + 22.2 + 254.1
= 672.6 N/ m2
Tổng trở lực phần cất:
∆pc = 28*672.6 = 18832.8 N/ m2

• Phần chưng:
Trở lực đóa khô:
Gw 22.4Tm
5277.5 * 22.4(273 + 91.5)
= 2.433 m3/ s
Vy =
=
M wTo 3600
18.02 * 273 * 3600
Vy
2.433
=
wo =
= 21.22 m/ s
n.i.a.hso 26 * 63 * 2 * 35 *10 −6
5 * 0.855 * 21.22 2
= 962.49 N/ m2
2
Trở lực của đóa do sức căng bề mặt:
4σ 4 * 30
∆ps =
=
= 31.71 N/ m2
d td 3.784
Trở lực lớp chất lỏng trên đóa:
hso
∆pt = ρ b g (hb − )
2
ρb = 0.5*958.28 = 479.14 kg/ m3
(73 − 19.2 − 30)(730 − 300)958.28 *10 −6 + 0.03 * 479.14 * 0.3 + (0.111 − 0.03)0.3 * 479.14

hb =
0.73 * 497.14
= 0.0722 m
∆pt = 497.14*9.81(0.0722-0.035/ 2) = 266.77 N/ m2
Trở lực một đóa:
∆pd
= ∆pk + ∆ps + ∆pt
= 962.49 + 31.71 + 266.77
= 1261 N/ m2
Tổng trở lực phần chưng:
∆pc = 5*1261 = 6304.844 N/ m2
Trở lực toàn tháp:
∆p
= 18832.8 + 6304.844
= 25137.6 N/ m2
= 0.25 at
∆pk =

PHẦN VI: TÍNH CÁC THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT

•

Nhiệt lượng cần cung cấp cho dòng nhập liệu đến trạng thái lỏng bảo hoà:
QF = F*HF
F: suất lượng nhập liệu (kmol/ s)
HF : enthalpy của dòng nhập liệu ở trạng thái lỏng bảo hòa (kj/ kmol)
4640.36 * 218.6
QF =
= 281 kw
3600

Nhiệt lượng sản phẩm đáy:


QW

•

•

= W HW
292.87 * 5968.8
=
3600
= 485.58 Kw
Nhiệt lượng do hơi nước cung cấp:
QH = Gn+1 + HG n+1
Gn+1 : suất lượng hơi nước bảo hoà sục vào đáy tháp, kmol/ s
HG n+1: enthalpy của hơi nước
119.645 * 47275.2
QH =
= 1571.2 kw
3600
Nhiệt lượng làm nguội sản phẩm đỉnh:
QLN = GD CD ( tD – tra )
CD : nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh, kj/ kg.độ
ttb = 0.5 ( tD + tra ) = 0.5 ( 78.6 + 30) = 54.3 o C
ttb = 54.3 oC
Cetanol = 3.480 kj/ kg.độ
[2,172]
Cnước = 4.177 kj/ kg.độ

[2,165]
CD
= xD Cetanol + ( 1 – 0.9277 ) *4.177
= 3.53 kj/ kg.độ
1876.35 * 3.53(78.6 − 30)
QH
=
3600
89.42 kw

I.
Thiết bò gia nhiệt:
Chọn thiết bò gia nhiệt có dạng ống chùm
Đường kính ống d = 16 x 1.6
Tổng số ống: n = 37 ống
Số ống trên một cạnh của hình sáu cạnh r :
Số ống trên đường chéo của hình sáu cạnh:
b = 2* a – 1 = 2*4 – 1 = 7
Bước ống t:
t = 1.5 d = 1.5*16 = 24 mm
Đường kính trong của thiết bò trao đổi nhiệt:
D
= t ( b – 1 ) + 4*dn
= 24 ( 7 – 1 ) + 4*16
= 208
Nhiệt độ ra của dòng nóng sau khi trao đổi nhiệt:


Q = GW CW ( tW – tra ) = 281 kw
Với :

tW = 99.2 oC
281 * 3600

tra = 99.2 - 5277.5 * 4.18 = 53.3 oC
Dòng nóng:
99.2 oC

o
Dòng lạnh :
83.8 C


53.3 oC
30 oC

(53.3 − 30) − (99.2 − 83.8)
(53.3 − 30)
)tlog =
= 19.078 oC
ln
(99.2 − 83.8)

Dòng lạnh đi phía vỏ:
ttb1 = 0.5 ( 83.8 + 30 ) = 26.9 o C
4f

Dtd = π
f: tiết diện dòng chảy
Β: chu vi thấm ước của dòng , m
πd n2

πD 2
−n
f=
4
4

Β = ΒDt + Β n dn

Dt2 − nπd n2 0.208 2 − 37 * 0.016 2
Dtd = D + nd = 0.208 + 37 * 0.016 = 0.04224 m
t
n

Độ nhớt của dòng chảy:
log: = x log:etanol + ( 1 –x ) log:nước
x : phân mol của etanol, x = 0.174
Ở ttb1 = 26.9o C
:etanol = 2.02*10-3 Ns / m2
[2,92]

:nước = 0.801*10-3 Ns / m2 [2,92]
-3
log: = 0.174 log 2.02*10 + ( 1 – 0.174 ) log 0.801*10-3
: = 0.94*10-3 Ns / m2
Hệ số dẫn nhiệt của dòng lạnh:
8 = x 8etanol + ( 1 - x ) 8nước
x : phân khối lượng etanol
Ở ttb1 = 26.9o C
8etanol = 0.3985 W/ m.độ
[2,135]

8nước = 0.62 W/ m.độ
[2,135]
8
= 0.174*0.3985 + ( 1 – 0.174 ) 0.62
= 0.58 W/ m.độ
Khối lượng riêng của dòng lạnh:


−

1
x
1− x
=
+
ρ hh ρ e tan ol ρ nuoc
−

x : phân khối lượng của etanol
−

x = 0.35
Ở ttb1 = 26.9o C:
∆etanol = 929 kg/m3
∆etanol = 995 kg/m3

∆hh = 970.86 kg/m3
Vận tốc của dòng lạnh đi phía ngoài ống:
4G F
4 * 5000

=
wF =
= 1.02 m/s
2
3600 ρ hhπDtd 3600 * 970.86π * 0.04224 2
Chuẩn số Reynolds:
wF Dtđ ρ hh 1.02 * 0.04224 * 970.86
=
Re =
= 44452
µ
0.941 * 10 −3
Chuẩn số Prant:
C µ
Pr = P
λ
CP : nhiệt dung riêng của dòng lạnh ( j/ kg.độ )
CP = xCPetanol + ( 1 – x ) CP nước
x: phân khối lượng etanol
x = 0.35
Ở ttb1 = 26.9o C:
CP etanol = 3582.5 j / kg.độ
[2,172]
3
CP nước = 4.175*10 j / kg.đo
[2,165]
CP = 0.35*3582.5 + ( 1- 0.35) 4175 = 3967.6 J/kg.độ
3967.6 * 0.941 * 10 −3
Pr =
= 6.437

0.58
Chuẩn số Nuyxen:
0.6
0.6
0.33
Nu
= 1.16 Dtd Re Pr
= 1.16*0.042240.6*444520.6*6.437 0.33
= 197.466
Hệ số cấp nhiệt:
Nuλ 197.466 * 0.58
α=
=
= 8947.6
dt
0.0128
Dòng nóng đi phía ống:
ttb = 0.5 ( 99.2 + 53.3 ) = 76.25 oC
Độ nhớt của dòng nóng:
logµ = x logµetanol + ( 1-x ) logµnước


x: phân mol etanol có trong sản phẩm đáy
xw = 0.00066
Ở ttb2 = 76.25 oC
µetanol = 0.51*10-3 Ns/ m2 [2,92]
µnước = 0.377*10-3 Ns/ m2 [2,92]
logµ = 0.00066 log (0.51*10-3) + ( 1- 0.00066 )log(0.377*10-3)
µ
= 0.377*10-3

Khối lượng riêng của dòng nóng:
−

−

1
x
1− x
=
+
ρ ρ e tan ol ρ nuoc
−

x : phân khối lượng của etanol
−

x = 0.00168
Ở ttb2 = 76.25 oC
ρetanol = 934 kg/ m3 [2,9]
ρnước = 972 kg/ m3
[2,9]
3
 ρ = 972 kg/ m
Hệ số dẫn nhiệt của dòng nóng
λ = λnước = 0.0669 W/ m.độ [2,135]
Vận tốc của dòng nóng đi trong ống:
Gw
5277.5
=
2

(
n
−
1
)
w=
S ong 3600 ρ (37 − 1) 3.14 * 0.0128 3600 * 972 = 1.3 m/ s
4
4
4
Chuẩn số Reynol:
wd t ρ 1.3 * 0.0128 * 972
=
Re =
µ
0.377 *10 −3
 chế độ chảy rối
0.8
0.43 Pr 0.25
 Nu = 0.021ε 1 Re Pr ( t )
Pr
o
Pr = 2.4 tra tại ttb = 76.25 C
Thực hiện tính lặp ta được kết quả sau:
Dòng lạnh đi phía ngoài ống:
ttb1 (oC)
tt1 (oC)
α1
q1= (tt1 - ttb1 ) α1
∑rcáu

26.9
33.0
8947.6
5580.35
0.6575*10-3
26.9
32.5
8947.6
50106.56
0.6575*10-3
Dòng nóng đi phía ngoài ống:
∆t =q∑rcáu ttb2 (oC) tt2 (oC)
35.9
76.25
68.9
32.94
76.25
65.45

Pr Prt
2.4 2.6
2.4 2.8

Nu
152
149.9

α2
q2=(ttb2– t2)
7944.37 58391.1

7833.6 844603