Chưng cất là qua trình phân tách hỗn hợp lỏng

ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị

GVHD : Hoàng Minh Nam

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN.
I . LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT:
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 nước – acid acetic sản
phẩm đỉnh là nước, sản phẩm đáy chủ yếu gồm acid acetic và một ít 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 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 nước – acid acetic, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp nhiệt
gián tiếp bằng nồi đun ở áp suất thường.

4


ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị

GVHD : Hoàng Minh Nam

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 lo.

Tháp mâm chóp.

Ưu điểm:

- Đơn giản.
- Trở lực thấp.

- Hiệu suất tương đối cao.
- Hoạt động khá ổn định.
- Làm việc với chất lỏng
bẩn.

- Hiệu suất cao.
- Hoạt động ổn định.

Nhược điểm:

- Hiệu suất thấp.

- Trở lực khá cao.
- Yêu cầu lắp đặt khắt khe
-> lắp đĩa thật phẳng.

- Cấu tạo phức tạp.

- Độ ổn định kém.

- Thiết bị nặng.

- Trở lực lớn.
- Không làm việc với
chất lỏng bẩn.

Nhận xét:ta nhan thay thap chem don giản dẽ sử dụng nhat.
Vậy: Chưng cất hệ nước – acid acetic ta dùng tháp mâm xuyên lỗ hoạt động liên tục ở
áp suất thường, cấp nhiệt gián tiếp ở đáy tháp, nhập liệu sau khi trao đổi nhiệt với thiet bi
gia nhiet nhap lieu,san pham day dược làm nguội để thu sản phẩm chính, sản phẩm đỉnh
được dẫn vào nồi đun để tạo hơi nước quá nhiệt cấp nhiệt cho nhập liệu và nồi đun đáy
tháp.

II . GIỚI THIỆU SƠ BỘ NGUYÊN LIỆU :
Nguyên liệu là hỗn hợp bezen – acid acetic.

1 . NƯỚC:
Nước: là chất lỏng không màu, khơng mùi,la dung mơi hoa tan tốt c hợp chất phan
cực,năng hơn dung mơi hữu cơ, không hoa tan dung mơi hữu cơ,…nước sôi ở 1000C và
đông đặc ở 00C.

2 . Acid acetic:

5


ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị

GVHD : Hoàng Minh Nam

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.

3 . Hỗn hợp Nước-Acid acetic:
Ta có bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Nước-Acid
acetic 760 mmHg:
x(%phân mol)

0

5

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

y(%phân mol)

0

9.2

16.7

30.3

42.5

53

62.6

71.6

79.5

86.4

93

100

t(oC)

118.1

115.4

113.8

110.1

107.5

105.8

104.4

103.3

102.1

101.3

100.6

100

100

Ñ o à t h ò x , y c u ûa h e ä B e z e n - A c i d a c e t i c

y(% )

90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0

10

20

30

40

50 x (% ) 60

70

80

90

100

6


ĐAMH Q Trình và Thiết Bị

GVHD : Hồng Minh Nam

III. CƠNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ NƯỚC-ACID ACETIC:
* Sơ đồ qui trình cơng nghệ chưng cất hệ nước-acid acetic:
3

Hơi không ngưng
Nước

8
15

14
P

T

Nước

T

9

6

Nước

10
5

7
T

Nước

Sản Phẩm Đỉnh
P

11

Hơi Nước

T

12

T

13

2

Nguyên Liệu

1

4

Sản Phẩm Đáy

Nước Lỏn g

Sản Phẩm Đáy

Chú thích :
1. Bồn chứa ngun liệu .
2. Bơm.
3. Bồn cao vị .
4. Bẩy hơi .
5. Lưu lượng kế .
6. Van .
7. Tháp chưng cất .
8. Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh .
9. Bộ phận chỉnh dòng .
10. Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh .
11. Bồn chứa sản phẩm đỉnh .
12. Nồi đun .
13. Đun sơi nhập liệu bằng sản phẩm đáy .
14. Ap kế .
15. Nhiệt kế .

* Thuyết minh qui trình cơng nghệ:

7


ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị

GVHD : Hoàng Minh Nam

Hỗn hợp nước-acid acetic có nồng độ nước 88% ( theo khối lượng) , nhiệt độ khoảng 25
C tại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3). Từ đó được đưa đến
thiết bị gia nhiệt (13) ( trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy). Ở đây, hỗn hợp được gia nhiệt đến
nhiệt độ 100,17270C . Sau đó, hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất (7) 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 (12) lôi cuốn cấu tử dễ bay
hơi . Nhiệt độ càng lên trên càng thấp, nên khi hơi đi qua các đĩa từ dưới lên thì cấu tử có
nhiệt độ sôi cao là nước sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu
tử nước chiếm nhiều nhất ( có nồng độ 99,5% theo khối lượng ). Hơi này đi vào thiết bị
ngưng tụ (8) và được ngưng tụ một phần ( chỉ ngưng tụ hồi lưu). Một phần chất lỏng ngưng
được đưa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh (11). Phần còn lại của chất lỏng ngưng được hồi lưu
về tháp ở đĩa trên cùng với tỷ 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 gồm hầu hết là cấu tử khó bay hơi (
acid acetic). Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độ nước là 70% theo khối lượng, còn lại là acid
acetic. Dung dịch lỏng ở đáy đi ra khỏi tháp, một phần được đun, bốc hơi ở nồi đun (12) cung
cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại được đưa qua thiết bị ngưng tụ sản phẩm
đáy(10) trao đổi nhiệt với nước lm mt , nhiệt độ của sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt là
400C .

Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là nước, sản phẩm đáy là acid acetic
sau khi trao đổi nhiệt với nươc làm mát được đưa vào bồn chứa.
0

8


ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị

GVHD : Hoàng Minh Nam

CHƯƠNG II : CÂN BẰNG VẬT CHẤT .
Ký hiệu các đại lượng:
Kí hiệu
Ý nghĩa
Cân bằng vật chất
Năng suất nhập liệu theo khối lượng
F
Năng suất nhập liệu theo số mol
F
Suất lượng sản phẩm đỉnh theo khối lượng
D
Suất lượng sản phẩm đđỉnh theo số mol
D
Suất lượng sản phẩm đáy theo khối lượng
W
W
Suất lượng sản phẩm đáy theo số mol
Nồng độ phần mol nhập liệu trong pha lỏng
xF

Nồng đđộ phần khối lượng nhập liệu trong
xF
pha lỏng
Nồng đđộ phần mol sản phẩm đđỉnh trong
xD
pha lỏng
Nồng đđộ phần khối lượng sản phẩm đđỉnh
xD
trong pha lỏng
Nồng độ phần mol dịng sản phẩm đy trong
xW
pha lỏng
Nồng
đđộ phần khối lượng sản phẩm đáy
xW
trong pha lỏng
Nồng độ phần mol nhập liệu trong pha hơi
yF
Nồng độ phần khối lượng dịng nhập liệu
yF
trong pha hơi
Nồng đđộ phần mol sản phẩm đđỉnh trong
yD
pha hơi
Nồng độ phần khối lượng sản phẩm đđỉnh
yD
trong pha hơi
Nồng đđộ phần mol sản phẩm đđáy trong
yW
pha hơi

Nồng
đđộ phần khối lượng sản phẩm đđáy
yW
trong pha hơi
x
Nồng đđộ phần mol trong pha lỏng
Nồng đđộ phần khối lượng trong pha lỏng
x
Nồng độ phần mol trong pha hơi cân bằng
y*
với pha lỏng
Nồng đđộ phần khối lượng trong pha hơi cân
y*
bằng với pha lỏng
Khối
lượng mol phân tử bezen
Ma

Đơn vị
kg/h
kmol/h
kg/h
kmol/h
kg/h
kmol/h
% mol
% khối lượng
% mol
% khối lượng
% mol

% khối lượng
% mol
% khối lượng
% mol
% khối lượng
% mol
% khối lượng
% mol
% khối lượng
% mol
% khối lượng
kg/kmol

9


ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị

Khối lượng mol phân tử acid acetic
Khối lượng mol phân tử trung bình
M tb
G
Suất lượng theo số mol
Suất lượng theo khối lượng
G
Khối lượng mol phân tử trung bình nhập liệu
MF
Khối lượng mol phân tử trung bình sản phẩm
MD
đđỉnh

Khối lượng mol phân tử trung bình sản phẩm
MW
đđáy
Nhiệt đđộ sôi của dung dịch
tS
Nhiệt đđộ sôi của nhập liệu
tFS
Nhiệt đđộ sôi của sản phẩm đđỉnh
tDS
Nhiệt đđộ sôi của sản phẩm đđáy
tWS
Nhiệt đđộ nhập liệu vào
tFv
Nhiệt đđộ sản phẩm đđỉnh ra
tDr
Nhiệt đđộ sản phẩm đáy ra
tWr
Nhiệt đđộ nước ra
t Nr
Nhiệt đđộ nước vào
t Nv
Tính số đĩa thực
Rmin
Chỉ số hồn lưu tối thiểu
Rth
Chỉ số hồn lưu thích hợp
f
Chỉ số nhập liệu
α
Độ bay hơi tương đđối

μ
Độ nhớt
Độ nhớt của hỗn hợp
μhh
Độ nhớt của aceton
μa
Độ nhớt của nước
μn
η
Hiệu suất đđĩa
Hiệu suất đđĩa ở đỉnh
ηD
Hiệu suất đđĩa ở đáy
ηW
Hiệu suất đđĩa ở vị trí nhập liệu
ηF
Hiệu suất đđĩa trung bình
ηtb
Ntt
Số đđĩa thực tế
NttC
Số đđĩa thực tế đđoạn chưng
NttL
Số đđĩa thực tế đđoạn luyện
NttT
Số đđĩa thực tế cả tháp
Nlt
Số đđĩa lí thuyết
Cân bằng năng lượng
Ma

GVHD : Hoàng Minh Nam

kg/kmol
kg/kmol
kmol/h
kg/h
kg/kmol
kg/kmol
kg/kmol
0

C
C
0
C
0
C
0
C
0
C
0
C
0
C
0
C
0

cP
cP
cP
cP

Đĩa
Đĩa
Đĩa
Đĩa
Đĩa

10


ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị

rb
ra
rhh
rh
rD
Chh
Cb
Ca
CFv
CFs
CDs
CD
CWs
CW

CN

Nhiệt hóa hơi của bezen
Nhiệt hóa hơi của nước
Nhiệt hóa hơi của hỗn hợp
Nhiệt hóa hơi của hơi nước bão hòa dùng gia
nhiệt
Nhiệt hóa hơi của sản phẩm đđỉnh
Nhiệt dung riêng của hỗn hợp
Nhiệt dung riêng của benzen
Nhiệt dung riêng của acid acetic
Nhiệt dung riêng của nguyên liệu vào
Nhiệt dung riêng của nguyên liệu ở trạng thái
sôi
Nhiệt dung riêng của sản phẩm đđỉnh ở trạng
thái sôi
Nhiệt dung riêng trung bình của sản phẩm
đđỉnh
Nhiệt dung riêng trung bình của sản phẩm
đáy ở trạng thái sôi
Nhiệt dung riêng trung bình của sản phẩm
đđáy
Nhiệt dung riêng trung bình của nước

GVHD : Hoàng Minh Nam

J/kg
J/kg
J/kg
J/kg

J/kg
J/kg
J/kg
J/kg
J/kg
J/kg
J/kg
J/kg
J/kg
J/kg
J/kg

I . CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU :
Năng suất nhập liệu: F = 0.8 (m3/h) .
Nồng độ nhập liệu: xF = 88%kl nước.
Nồng độ sản phẩm đỉnh : xD = 99,55%kl nước .
Nồng độ sản phẩm đáy: xW = 70 %kl nước.
Khối lượng phân tử của nước và acid axetic: MN =18, MA =60 .
Chọn:
+ Nhiệt độ nhập liệu: tF =100,1727oC .
+ Nhiệt độ sản phẩm đỉnh: tD =100,0235oC .
+ Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt: t’W = 40oC .
+Trạng thái nhập liệu: lỏng ,sôi .

II . XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG SẢN PHẨM ĐỈNH VÀ SẢN PHẨM ĐÁY
:
Suất lượng dòng lưu chất theo khối lượng:
G = G . M tb . ,kg/h
Suất lượng dòng lưu chất theo mol:

11


ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị

GVHD : Hoàng Minh Nam

G= G
,kmol/h
M tb
Chuyển từ phần khối lượng sang phần mol:

xF =

xF
Mb
x F (1 − x F )
+
Mb
Ma

=

xD
Mb
xD =
=
x D (1 − x D )
+
Mb

Ma

0.88
18
= 0.9607(phần mol bezen )
0.88 (1 − 0.88)
+
18
60
0.995
18
= 0.9985 (phần mol benzen
0.995 (1 − 0.995)
+
18
60

xw
Mb

0.70
18
xW =
=
= 0.8861 ( phần mol benzen)
0.70 (1 − 0.70)
x w (1 − x w )
+
+
18

60
Mb
Ma

Tính Mtb :
Mtb F = xF . Mb + (1- xF ) .Ma
= 0.9607*18+(1-0.9607)*60
= 19.6506 ( Kg/Kmol)
Mtb D = xD . Mb + (1- xD ) . Ma
= 0.9985*18 + (1 – 0.9985) * 60
= 18.063 ( Kg/Kmol)
Mtb W = xW * Mb + (1- xW ) * Ma
= 0.8861 * 18 + (1 – 0.8861 ) * 60
= 22.7838( Kg/Kmol)
Khối lượng riêng của hỗn hợp nhập liệu:
ρN = 958.2231(kg / m3 )

ρA = 957.6891(kg / m3 )
ρhh = 957.7532(kg / m3 )
Suất lượng dòng nhập liệu :
F=

F
M tbF ρhh

=

800
= 33.2695 ( kmol/h )
19.6506 * 957.6891

Phương trình cân bằng vật chất cho toàn bộ tháp chưng cất :
F
D
W
⎧F = D + W
=
=
=>
⎨
x D − xW x F − xW x D − x F
⎩F * x F = D * x D + W * x W

12


ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị

GVHD : Hoàng Minh Nam

x F − xW
0,9607 − 0,8861
*F=
*33.2695=22.084 (kmol/kg)
x D − xW
0,9985 − 0,8861
=>W=F-D=11.1854 (kmol/kg)
D =D* Mtb D =18.063*22.084=467.7115 (kg/h)

=>D=

W =W* Mtb W =22.7838*11.1854=298.8157 (kg/h)

III . XÁC ĐỊNH TỈ SỐ HOÀN LƯU THÍCH HỢP:
1 . Tỉ số hoàn lưu tối thiểu:
Tỉ số hoàn lưu tối thiểu là chế độ làm việc mà tại đó ứng với số mâm lý thuyết là vô
cực .Do đó ,chi phí cố định là vô cực nhưng chi phí điều hành (nhiên liệu ,nước và
bơm…) là tối thiểu .
Do đồ thị cân bằng của hệ Etanol-Nước có điểm uốn ,nên xác định tỉ số hoàn lưu tối
thiểu bằng cách :
+Trên đồ thị cân bằng y-x ,từ điểm (0,85;0,85) ta kẻ một đường thẳng tiếp tuyến với
đường cân bằng tại điểm uốn , cắt trục Oy tại điểm có yo = 0,26 .
+Theo phương trình đường làm việc đoạn cất , khi xo =0 thì
x −x
Rmin= D
=2,269
xF − x
Vậy : tỉ số hoàn lưu tối thiểu : Rmin = 2,269

2. Tỉ số hoàn lưu thích hợp:

Khi R tăng, số mâm sẽ giảm nhưng đường kính tháp ,thiết bị ngưng tụ ,nồi đun và
công để bơm cũng tăng theo.Chi phí cố định sẽ giảm dần đến cực tiểu rồi tăng đến vô cực
khi hoàn lưu toàn phần ,lượng nhiệt và lượng nước sử dụng cũng tăng theo tỉ số hoàn lưu .
Tổng chi phí bao gồm : chi phí cố định và chi phí điều hành . Tỉ số hoàn lưu thích hợp
ứng với tổng chi phí là cực tiểu .
Tuy nhiên ,đôi khi các chi phí điều hành rất phức tạp ,khó kiểm soát nên người ta có
thể tính tỉ số hoàn lưu thích hợp từ điều kiện tháp nhỏ nhất .Để tính được tỉ số hoàn lưu
thích hợp theo điều kiện tháp nhỏ nhất (không tính đến chi phí điều hành),ta cần lập mối
quan hệ giữa tỉ số hoàn lưu và thể tích tháp ,từ đó chọn Rth ứng với thể tích tháp là nhỏ

nhất.
Nhận thấy ,tiết diện tháp tỉ lệ với lượng hơi đi trong tháp ,mà lượng hơi lại tỉ lệ với
lượng lỏng hồi lưu trong tháp ,do trong điều kiện làm việc nhất định thì GD sẽ không đổi
nên lượng lỏng hồi lưu sẽ tỉ lệ với (R+1) ,do đó , tiết diện tháp sẽ tỉ lệ với (R+1). Ngoài ra
,chiều cao tháp tỉ lệ với số đơn vị chuyển khối mox hay số mâm lý thuyết Nlt .Cho nên ,thể
tích làm việc của tháp tỉ lệ với tích số mox*(R+1) .Như vậy, ta có thể thiết lập quan hệ
giữa R và Vtháp theo quan hệ R và mox*(R+1) .Từ đồ thị của quan hệ này ,ta xác định được
điểm cực tiểu của mox*(R+1) ứng với tỉ số hoàn lưu thích hợp R .
R
2.496
2.723
2.973
3.023

mox
47.818
37.733
32.801
33.545

mox*(R+1)
167.173
140.480
130.320
134.952

13


ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị

170

GVHD : Hoàng Minh Nam

R*(m ox+1)

160

150

140

130

R
120
2.00

2.50

3.00

3.50

Vậy : Tỉ số hoàn lưu thích hợp là R= 4.4 .

IV . PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LÀM VIỆCSỐ MÂM LÝ THUYẾT:
1 . Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất :
x

4,4
0,9985
R.
.x + D =
.x +
R +1
R +1
4,4 + 1
4,4 + 1
=0,8148 .x + 0,1849

y=

2 . Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng :
4,4 − 1,5067
1,5067 − 1
f −1
R+ f
.x +
.0,8861
.xW =
.x +
R +1
R +1
4,4 + 1
4,4 + 1
= 1,0938 .x – 0,0831
F
x
0,9985

Với : f = = D =
= 1,5067 : chỉ số nhập liệu .
D xF .η 0,9067.0,69

y=

3 . Số mâm lý thuyết :
Đồ thị xác định số mâm lý thuyết :(Xem hình ở trang sau ).
Từ đồ thị ,ta có : 23 mâm bao gồm : 20 mâm cất
1 mâm nhập liệu
3 mâm chưng
Tóm lại ,số mâm lý thuyết là Nlt = 23 mâm .

14


ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị

GVHD : Hoàng Minh Nam

CHƯƠNG III :TÍNH TOÁN –THIẾT KẾ THÁP
CHƯNG CẤT .
I . ĐƯỜNG KÍNH THÁP :(Dt)
Dt =

4Vtb
π.3600.ω tb

(m)

Vtb :lượng hơi trung bình đi trong tháp (m3/h).
ωtb :tốc độ hơi trung bình đi trong tháp (m/s).
gtb : lượng hơi trung bình đi trong tháp (Kg/h).
Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng và đoạn cất khác nhau.Do đó, đường
kính đoạn chưng và đoạn cất cũng khác nhau .

1. Đường kính đoạn cất :
a . Lượng hơi trung bình đi trong tháp :
g + g1
g tb = d
(Kg/h)
2
gd : lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (Kg/h).
g1 : lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn cất (Kg/h).
Xác định gd : gd = D.(R+1) =467,7115.(4,4+1) = 2525,6421 (Kg/h)
Xác định g1 : Từ hệ phương trình :
⎧ g1 = G1 + D
⎪
⎨ g1 . y1 = G1 .x1 + D.x D (III.1)
⎪ g .r = g .r
d d
⎩ 1 1
Với : G1 : lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn cất .
r1 : ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn cất
rd : ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi ra ở đỉnh tháp .
* Tính r1 : t1 = tF = 100.1727oC , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] ta có :
An nhiệt hoá hơi của nước : rN1 =2201,7868 (KJ/kg) .
An nhiệt hoá hơi của acid axetic: rA1 = 390,7385 (KJ/kg) .
Suy ra : r1 = rN1.y1 + (1-y1).rA1 = 390,7385+1811,.0483y1
Tham khảo IV (tập 1) ta có :

An nhiệt hoá hơi của nước : rNd = 2256,5573 (KJ/kg) .
An nhiệt hoá hơi của acid axetic : rRd = 38,9795 (KJ/kg) .
Với xD=0.9985 tra đồ thị ta có: yD=0,995
Suy ra : rd = rNd.yD + (1-yD).rAd =2256,5573.0,995 + (1- 0,995).38,9795
= 2245,4694 (KJ/kg)
* x1 = xF = 0,9607
Giải hệ (III.1) , ta được : G1 = 2341,0525 (Kg/h)
y1 = 0.8991 (phân khối lượng nước) =>y1=0,9641
g1 = 2808,7641 (Kg/h)

15


ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị

GVHD : Hoàng Minh Nam

2525.6421 + 2808.7641
= 2667.2031 (Kg/h)
2
b . Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp :
Tốc độ của hơi đi trong tháp đệm:
Y = 1,2.e −4. X

Vậy : gtb =

ω 2δ ρ ⎛ μ
Y = S3 d ytb ⎜⎜ x
ν ρ xtb g ⎝ μ N
⎛G

X = ⎜⎜ X
⎝ GY

1/ 4

⎞
⎟⎟
⎠

⎞
⎟⎟
⎠

0.16

1/ 8

⎛ ρ ytb ⎞
⎜⎜
⎟⎟
ρ
⎝ xtb ⎠

⎧⎪
⎛G
ω = lg⎨1,2.(− 4)⎜⎜ X
⎝ GT
⎪⎩
2
S

1/ 4

⎞
⎟⎟
⎠

1/ 8

⎛ ρ ytb ⎞
⎜⎜
⎟⎟
⎝ ρ xtb ⎠

⎫⎪⎧⎪ν 3 ρ g ⎛ μ ⎞0.16 ⎫⎪
xtb
⎜⎜ N ⎟⎟ ⎬
⎬⎨
⎪⎭⎪⎩ δ d ρ ytb ⎝ μ A ⎠ ⎪⎭

ωs = ωs2
Với : rxtb : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (Kg/m3) .
rytb : khối lượng riêng trung bình của pha hơi (Kg/m3) .
tốc dộ sặc(m/s)
ωK :tốc dộ lm việc thích hợp(m/s)
δ d :bề mặt rieng của dệm(m2/m3)
ν d :thể tích tự do của dệm(m3/m3)
μ A :dộ nhớt của pha long theo nhiệt dộ trung bình(NS/m2)
μ N :dộ nhớt của nước ở 200C(NS/m2)
GX :lượng long trung bình qua thp(kg/s)

GY :lượng hơi trung bình qua thp(kg/s)
g:gia tốc trọng trường(m/s)
Giai phương trình trn ta tìm được tốc độ sặc:
Tốc độ làm việc thicchs hợp:
ωK = (0,8 ÷ 0,9)ωS
Xác định rytb :

ρ ytb =

[ ytb .18 + (1 − ytb ).60].273
22,4.(ttb + 273)

y1 + y D 0,9641 + 0,995
=
=0,9796
2
2
t + t 100,1727 + 100,0235
=100,0614oC
+ Nhiệt độ trung bình đoạn cất : tt= F D =
2
2
Suy ra : rytb =0,6113 (Kg/m3).
Xác định rxtb :
x + x D 0,9607 + 0,9985
Nồng độ phân mol trung bình : xtb = F
=
= 0,9796
2
2

Với: + Nồng độ phân mol trung bình : ytb =

16


ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị

GVHD : Hoàng Minh Nam

18.xtb
=0,9351% .
18.xtb + (1 − xtb ).60
ttb = 100,0614oC , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)-trang 9], ta có :
rxtb =1000,02341 (Kg/m3)
Độ nhớt trung bình của pha lng:
μ A = 0,2837cp

Suy ra : xtb =

μ N = 0,4596cp
lg μ X = xtb1 lg μ N + (1 − xtb )lg μ A = 0,9796. lg 0,4596 + 0,0204. lg 0.2837 = −1,2498
μ x = 0.2866cp
Chọn đệm vịng sứ cĩ kích thước:50x50x5 với:
δ d = 95(m 2 / m3 )
ν d = 0.79(m3 )
d d = 0,05(m )

ρ d = 500(Kg / m3 )
N d = 5800(viên )

1/ 4
1/ 8
⎧⎪
⎛ 0,611 ⎞ ⎛ 0,6113 ⎞ ⎛ 9,81.1000,0231.0,793 ⎞⎫⎪
⎟
(
)
ω = . lg ⎨ − 0,125 − 1,75.⎜
⎟ .⎜
⎟ ⎜⎜
0 ,16 ⎟ ⎬
Suy ra : S
⎪⎩
⎝ 0,741 ⎠ ⎝ 1000,0231 ⎠ ⎝ 95.0,6613(0.2866) ⎠⎪⎭
ωS = 6.8072(m / s )
Tốc độ làm việc thích hợp của tháp :
ωh = 0,8.ω gh = 0,8.6,8072 = 5,4457 (m/s)

Vậy :đường kính đoạn cất :
4.G y
4.0,7409
=
Dcất = .
= 0,5325 (m).
3600.0,785.ρ ytb .ωK
3600.0,785.0,6113.5,4457
2. Đường kính đoạn chưng :
a . Lượng hơi trung bình đi trong tháp :
g , n + g ,1

(Kg/h)
g , tb =
2
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 = g1 = 2808,7641 (Kg/h)
Xác định g’1 : Từ hệ phương trình :
⎧G '1 = g '1 + W
⎪ '
'
⎨G 1 .x'1 = g 1 . yW + W .xW (III.2)
⎪ g ' .r ' = g ' .r ' = g .r
n
n
1 1
⎩ 1 1

Với : G’1 : lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn chưng .
r’1 : ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng.
Tính r’1 : xW =0,8861 tra đồ thị cân bằng của hệ ta có : yW =0,9227

17


ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị

Suy ra :

GVHD : Hoàng Minh Nam

yW =

18. yW
18.0,9227
=
= 0,7817
18. yW + (1 − yW ).60 18.0,9227 + (1 − 0,9227 ).60

y1 = yW = 0,7817
Suy ra :Mtbg’ =18.yW +(1-yW).60=21,2466 (Kg/kmol)
t’1 = tW = 100,6266oC , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], ta có :
An nhiệt hoá hơi của nước : r’N1 = 2200,5516(KJ/kg) .
An nhiệt hoá hơi của rượu : r’R1 = 390,7528 (KJ/kg) .
Suy ra : r’1 = r’R1.yW + (1-yW).r’N1 = 1805,4838 (KJ/kg)
* Tính r1: r1 = 390,7385+1811,0483.y1 =390,7385+1811,0483.0,7817
=2019,1419(KJ/kmol)
* W = 11,1854 (Kmol/h)
Giải hệ (III.2) , ta được : x’1 =0,7746(phân khối lượng acid axetic)
G’1 = 3439,9645 (Kgl/h) =
g’1 = 3141,1488 (Kg/h)
2808,7641 + 3141,1488
Vậy : g’tb =
= 2974,9565 (Kg/h)
2
b . Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp :
Tốc độ của hơi đi trong tháp đệm:
Y = 1,2.e −4. X

ωS2δ d ρ ytb ⎛ μ x
⎜

Y= 3
ν ρ xtb g ⎜⎝ μ N
⎛G
X = ⎜⎜ X
⎝ GY

1/ 4

⎞
⎟⎟
⎠

⎞
⎟⎟
⎠

0.16

1/ 8

⎛ ρ ytb ⎞
⎜⎜
⎟⎟
⎝ ρ xtb ⎠

⎧⎪
⎛G
ω = lg⎨1,2.(− 4)⎜⎜ X
⎝ GT
⎪⎩

2
S

1/ 4

⎞
⎟⎟
⎠

1/ 8

⎛ ρ ytb ⎞
⎜⎜
⎟⎟
⎝ ρ xtb ⎠

⎫⎪⎧⎪ν 3 ρ g ⎛ μ ⎞0.16 ⎫⎪
xtb
⎜⎜ N ⎟⎟ ⎬
⎬⎨
δ
ρ
⎪⎭⎪⎩ d ytb ⎝ μ A ⎠ ⎪⎭

ωs = ωs2
Với : rxtb : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (Kg/m3) .
rytb : khối lượng riêng trung bình của pha hơi (Kg/m3) .
tốc dộ sặc(m/s)
ωK :tốc dộ lm việc thích hợp(m/s)
δ d :bề mặt rieng của dệm(m2/m3)

ν d :thể tích tự do của dệm(m3/m3)
μ A :dộ nhớt của pha long theo nhiệt dộ trung bình(NS/m2)
μ N :dộ nhớt của nước ở 200C(NS/m2)
GX :lượng long trung bình qua thp(kg/s)
GY :lượng hơi trung bình qua thp(kg/s)
g:gia tốc trọng trường(m/s)
Giai phương trình trn ta tìm được tốc độ sặc:

18


ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị

GVHD : Hoàng Minh Nam

Tốc độ làm việc thicchs hợp:
ωK = (0,8 ÷ 0,9)ωS
Xác định r’ytb :
[ y' .18 + (1 − y'tb ).60].273
ρ ' ytb = tb
22,4.(t 'tb +273)
Với: + Nồng độ phân mol trung bình :
y + yW 0,9227 + 0,9641
=
=0,9434
y’tb = 1
2
2
+ Nhiệt độ trung bình đoạn chưng : t’tb
t +t

100,1727 + 100,6266
=100,3996oC
= F W =
2
2
Suy ra : r’ytb =0,6883 (Kg/m3).
Xác định r’xtb :
x + xW
0,7 + 0,88
Nồng độ khối lượng trung bình : x’tb = F
=
= 0,79
2
2
Suy ra : x'tb = 0.79 =79% .
t’tb = 100,3996oC , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)-trang 9], ta có :
Khối lượng riêng của nước : r’N = 957,9608(Kg/m3)
Khối lượng riêng của rượu : r’R = 957,906(Kg/m3)
−1
⎛ x'tb 1 − x'tb ⎞
⎟ =957,9493 (Kg/m3)
Suy ra :r’xtb = ⎜⎜
+
ρ ' N ⎟⎠
⎝ ρ 'R
Độ nhớt trung bình của pha lng:
μ A = 0,2829cp
μ N = 0,4582cp
lg μ X = xtb1 lg μ N + (1 − xtb )lg μ A = 0,9234. lg 0,4582 + 0,0766. lg 0,2829 = −1,2228
μ x = 0,2944cp

Chọn đệm vịng sứ cĩ kích thước:50x50x5 với:
δ d = 95(m 2 / m3 )

ν d = 0.79(m3 )
d d = 0,05(m )

ρ d = 500(Kg / m3 )
N d = 5800(viên )

1/ 4
1/ 8
⎧⎪
⎛ 0,5842 ⎞ ⎛ 0,6883 ⎞ ⎛ 9,81.957,9493.0,793 ⎞⎫⎪
⎟
ω = . lg ⎨(− 0,125) − 1,75.⎜
⎟ .⎜
⎟ ⎜⎜
0 ,16 ⎟ ⎬
Suy ra : S
0
,
8264
957
,
9493
(
)
95
.
0

,
883
0
,
2944
⎪⎩
⎝
⎠ ⎝
⎠ ⎝
⎠⎪⎭

ωS = 6.303(m / s )
Tốc độ làm việc thích hợp của tháp :
ωh = 0,8.ω gh = 0,8.6,303 = 5,0424 (m/s)
Vậy :đường kính đoạn cất :

19


ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị

Dcất = .

GVHD : Hoàng Minh Nam

4.G y
3600.0,785.ρ ytb .ωK

=

4.0,8264
= 0,5507 (m).
3600.0,785.0,6883.5,0424

Kết luận : hai đường kính đoạn cất và đoạn chưng không chênh lệch nhau quá lớn
nên ta chọn đường kính của toàn tháp là : Dt = 0,5416 (m).
Khi đó tốc độ làm việc thực ở :
4.G y
4.0,741
=
= 5,2634(m / s )
ωk = 2
2
Dt .ρ ytb..3600.0,785 0,5416 .0,6113.3600.0,785
+ Phần cất :
⎛ ωh − ωk ⎞ ⎛ 5,4457 − 5,2634 ⎞
⎜⎜
⎟⎟ = ⎜
⎟ = 0,034 = 3,4 0 0 < 5 0 0
5,2634
⎠
⎝ ωh ⎠ ⎝
+ Phần chưng :
4.G y
4.0,8264
=
= 5,2141(m / s )
ωk = 2
2
Dt .ρ ytb. .3600.0,785 0,5416 .0,6883.3600.0,785

⎛ ωh − ωk
⎜⎜
⎝ ωh

⎞ ⎛ 5,4457 − 5,2141 ⎞
⎟⎟ = ⎜
⎟ = 0,033 = 3,3 0 0 < 5 0 0
5
,
2141
⎠
⎠ ⎝

II . TRỞ LỰC CỦA VA CHIEU CAO THAP ĐỆM CỦA:
1 . Chieu cao phan cat:
H1 = N .htd + (0,8 ÷ 1) .
1/ 2

1/ 2

⎛ν ⎞
1
1
⎛ 0.79 ⎞
htd = 200.⎜⎜ d ⎟⎟ . 0, 4 = 200.⎜
= 0.3239(m )
⎟ .
0, 4
⎝ 95 ⎠ 5,4457
⎝ δ d ⎠ ωY

htd : chieu cao tương đương của một bậc thay đổi nồng độ(m)
ω y = ωK : toc do của pha khí đi trong tháp
N : so dĩa lý thuyết

=> H1 = N .htd + (0,8 ÷ 1) = 20.0,3239 + 0,8 = 7,2792(m )

2 . . Chieu cao phan chưng:

H 2 = N .htd + (0,8 ÷ 1) .
1/ 2

1/ 2

⎛ν ⎞
1
1
⎛ 0.79 ⎞
htd = 200.⎜⎜ d ⎟⎟ . 0, 4 = 200.⎜
= 0,3341(m )
⎟ .
0, 4
⎝ 95 ⎠ 5,0424
⎝ δ d ⎠ ωY
htd : chieu cao tương đương của một bậc thay đổi nồng độ(m)
ω y = ωK : toc do của pha khí đi trong tháp

=> H 2 = N .htd + (0,8 ÷ 1) = 3.0,3341 + 0,8 = 1,8023(m )

Chieu cao của tháp đệm:

H = H1 + H 2 = 7,2792 + 1,8023 ≈ 9,1(m )
TRỞ LỰC CỦA THÁP ĐỆM:
Đối với đoạn cất:
Chuẩn số Reynolds của pha khí trong thp:
20


ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị

GVHD : Hoàng Minh Nam

ωY .ρY .h 5,4457.0,6613.1
=
= 11659
0,2855.10− 3
μy
Hệ số trở lực của đệm:
Re =

16
16
=
= 2,4591
0, 2
ReY
116590, 2
Trở lực của đệm khô:
7,2729.95.5,4457.0,6113
H δ .ω 2 .ρ
ΔPK = λT . 1 d 3 Y Y = 2,4591.

= 7816,2952(N / m 2 )
3
4.ν d .2
4.0,79 .2
Trở lực của đệm ướt:

λ=

⎛
⎛G
ΔPu = ΔPK .⎜1 + A⎜⎜ X
⎜
⎝ GY
⎝

(

)

⎞
⎟⎟
⎠

0.342

⎛ρ
.⎜⎜ Y
⎝ ρX

⎞

⎟⎟
⎠

0 ,19

⎛μ
.⎜⎜ X
⎝ μY

⎞
⎟⎟
⎠

0 , 038

0 , 342
0 ,19
0 , 038
⎞
⎛
⎞
⎟ = 7816,3.⎜1 + 3,2.⎛⎜ 0,611 ⎞⎟ ⎛⎜ 0,6113 ⎞⎟ ⎛⎜ 0,2866 ⎞⎟
⎟
⎟
⎜
⎟
0
,
7409
1000

,
0234
0
,
2855
⎝
⎠
⎝
⎠
⎝
⎠
⎝
⎠
⎠

= 13556,9728 N / m 2
Với A:ệ số đối với điểm đảo pha A=3,2
Đối với đoạn cất:
Chuẩn số Reynolds của pha khí trong thp:
ω .ρ .h 5,0424.0,6883.1
Re = Y Y =
= 11935
0,2908.10− 3
μy

Hệ số trở lực của đệm:
16
16
λ = 0, 2 =
= 2,4477

ReY
119350, 2
Trở lực của đệm khô:
1,8023.95.5,0424.0,6883
H δ .ω 2 .ρ
ΔPK = λT . 21 d 3 Y Y = 2,4477.
= 1859,3838(N / m 2 )
3
4.ν d .2
4.0,79 .2
Trở lực của đệm ướt:
0.342
0 ,19
0 , 038
0 , 342
0 ,19
0 , 038
⎛
⎞
⎛
⎞
⎛ GX ⎞
⎛ ρY ⎞ ⎛ μ X ⎞
⎛ 0,5842 ⎞ ⎛ 0,6883 ⎞ ⎛ 0,2944 ⎞
⎜
⎟
⎜
⎟
⎟⎟ .⎜⎜
⎟⎟ .⎜⎜

⎟⎟
ΔPu = ΔPK . 1 + A⎜⎜
= 1859,4. 1 + 3,2.⎜
⎟ ⎜
⎟ ⎜
⎟
⎜
⎟
⎜
⎟
ρ
μ
0
,
8264
957
,
9493
0
,
2908
G
⎝
⎠ ⎝
⎠ ⎝
⎠
⎝ Y ⎠
⎝ X⎠ ⎝ Y ⎠
⎝
⎠

⎝
⎠
2
= 3190,8036 N / m
Với A:ệ số đối với điểm đảo pha A=3,2
Tổng trở lực trn tồn thp:
ΔP = ΔPU 1 + ΔPU 2 = 13556,9728 + 3190,8036 = 16752,7764 N / m 2
CH ỌN Đ ĨA PH N PH ỐI CH ẤT L NG VA L Ư ỚI Đ Ỡ Đ ỆM

(

)

(

)

III . TÍNH TOÁN CƠ KHÍ CỦA THÁP :
1 . Bề dày thân tháp :

21


ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị

GVHD : Hoàng Minh Nam

Vì tháp chưng cất hoạt động ở áp suất thường nên ta thiết kế thân hình trụ bằng
phương pháp hàn giáp mối (phương pháp hồ quang ). Thân tháp được ghép với nhau bằng
các mối ghép bích.

Để đảm bảo chất lượng của sản phẩm và khả năng ăn mòn của acid axetic đối với thiết
bị, ta chọn vật liệu chế tạo thân tháp là thép không gỉ mã X18H10T.
Ap suất tính toán :
Tháp làm việc ở áp suất khí quyển, nên ta chọn áp suất tính toán :
, (N/mm2)
Ptt =Pcl + ∑htl
Với : Pcl : áp suất thủy tĩnh do chất lỏng ở đáy (N/mm2).
Chọn áp suất tính toán sao cho tháp hoạt động ở điều kiện nguy hiểm nhất mà vẫn
an toàn nên :
Pcl = ρx .g.H
ρ + ρ ' xtb
1000,0234 + 957,9493
= xtb
.g.H=
.9,81.9,1 = 87217,025(N / m 2 )
2
2
Suy ra : Ptt = 16752,7764+ 87217,025 = 103969,8(N/m2) ~0,1039698(N/mm2).
Nhiệt độ tính toán :
Chọn nhiệt độ tính toán : ttt = tđáy = 100,6266oC .
Tra tài liệu tham khảo [5], ứng suất tiêu chuẩn đối với thép X18H10T :
[σ]* = 142 (N/mm2).
Đối với rượu hệ số hiệu chỉnh : η = 0,95
Vậy : ứng suất cho phép : [σ] = η.[σ]* =134,9 (N/mm2).
Xác định bề dày thân chịu áp suất trong :
Ta chọn phương pháp chế tạo thân là phương pháp hàn hồ quang điện bằng tay nên
hệ số bền mối hàn : ϕh = 0,9
[σ ].ϕ = 134.9 .0,9 =1168,5274 > 25,do đó, bề dày tính toán của thân
Xét tỷ số :
h

0,1039
Ptt
được tính theo công thức sau :
Dt .Ptt
550.0,1039
S 't =
=
= 0,2356 (mm).
2.[σ ].ϕ h 2.134,9.0,9
Suy ra : bề dày thực của thân : St = S’t + C
,(mm).
Trong đó : C :hệ số bổ sung bề dày, C = Ca + Cb + Cc + Co
Với : + Ca : hệ số bổ sung do ăn mòn hoá học, phụ thuộc vào tốc độ ăn mòn của
chất lỏng. Chọn tốc độ ăn mòn của rượu là 0,1 (mm/năm),thiết bị hoạt động
trong 20 năm, do đó Ca = 2 mm.
+Cb : hệ số bổ sung do bào mòn cơ học, chọn Cb = 0.
+Cc : hệ số bổ sung do sai lệch khi chế tạo, chọn Cc = 0.
+Co : hệ số bổ sung qui tròn, chọn Co =0,7683 (mm).
Suy ra : C = 2 + 0 + 0 + 0,7682 = 2,7683 (mm).
Vậy : St = 0,2356 + 2,7683= 3,004 (mm).
* Kiểm tra công thức tính toán với St = 3 (mm) :
S t − Ca 3 − 2
=
= 0,0018 < 0,1 : đúng.
Dt
541
* Kiểm tra áp suất tính toán cho phép :
22

ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị

GVHD : Hoàng Minh Nam

[Ptt ] = 2.[σ ].ϕh .(St − Ca ) = 2.134,9.0,9.(3 − 2) =0,4424 > Ptt : đúng.
Dt + (St − Ca )
550 + (3 − 2)
Vậy : Bề dày thực của thân là St = 3 (mm).

2 . Đáy và nắp thiết bị :

Chọn đáy và nắp có dạng là ellipise tiêu chuẩn, có gờ bằng thép X18H10T.

Nhận thấy: công thức tính toán bề dày thân, đáy và nắp chịu áp suất trong là như nhau. Nên
chọn bề dày của đáy và nắp là Sđ = Sn = 3 (mm).
Các kích thước của đáy và nắp ellipise tiêu chuẩn, có gờ(tài liệu tham khảo [4(tập 2)]:
+ Đường kính trong: Dt = 550 (mm).
+ ht =137 (mm).
+ Chiều cao gờ: hgờ = h = 25 (mm).
+Diện tích bề mặt trong: Sđáy = 0,37 (m2).
chiều day day va nắp elip của thiết bị chui ap suất trong:
Dt P
Dt
− C = S' + C
S=
3,8.[δ K ].k .ϕ h − P 2.hb
d
Hệ số thứ nguyen: k = 1 −
Dt

Do ở day va nắp thiết bị co khoet lỗ với dường kính khc nhau nn ta co cc bề mặt ring
khc nhau:
đường kính lỗ ở nắp:d=0,25=>k=0,675
550.0,1039
550
S'=
.
= 0,3459(mm)
3,8.211,5.0,675.0,6113 − 0,1039 2.137
đường kính lổ ở đáy: d=0,08=>k=0,8375
550.0,1039
550
S'=
.
= 0,2476(mm)
3,8.211,5.0,8375.0,6883 − 0,1039 2.137
C=Ca+Cb+Cc+Co(tính tương tự như thn thiết bị ta cĩ)
Do S’ đáy v nắp khc nhau khơng đáng kể nn ta chọn bề dy đáy v nắp băng nhau:
S=3(mm)
kiểm tra p suất dư tính ton:
Bề dy đáy cần thoả mn điều kiện sau:
S − C0
≤ 0,125
Dt
3−2
= 1,8.10 − 3 ≤ 0,125
550
Ap suất cho php tính theo cơng thức:
23

ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị

GVHD : Hoàng Minh Nam

.(3 − 2 )
[P ] = 2.R[σ ]+.ϕ(S.(S− −CC) ) = 2.133550.0,+6498
= 0,3136 > 0,1039 (thoả)
(3 − 2)
h

t

t

t

a

a

vậy chọn bề day thiết bị:S=3(mm)

3 . Bích ghép thân, đáy và nắp :
Mặt bích là bộ phận quan trọng dùng để nối các phần của thiết bị cũng như nối các bộ
phận khác với thiết bị. Các loại mặt bích thường sử dụng:
+ Bích liền: là bộ phận nối liền với thiết bị (hàn, đúc và rèn). Loại bích này chủ yếu
dùng thiết bị làm việc với áp suất thấp và áp suất trung bình.
+ Bích tự do: chủ yếu dùng nối ống dẫn làm việc ở nhiệt độ cao, để nối các bộ bằng
kim loại màu và hợp kim của chúng, đặc biệt là khi cần làm mặt bích bằng vật liệu bền

hơn thiết bị.
+ Bích ren: chủ yếu dùng cho thiết bị làm việc ở áp suất cao.
Chọn bích được ghép thân, đáy và nắp làm bằng thép X18H10T, cấu tạo của bích là
bích liền không cổ.

Theo tài liệu tham khảo [4 (tập 2)- trang 417], ứng với Dt =550(mm) và áp suất tính
toán Ptt = 0,1039(N/mm2) ta chọn bích có các thông số sau :
Dt

D

Db

D1

h

Bu lông
db

(mm)
550

680

630

600

Z

(cái)

20

20

16

Theo tài liệu tham khảo [4 (tập 2)- trang 170], chọn số mâm giữa hai mặt bích là 4 mâm.Vậy,
số bích ghép thân-đáy-nắp là (15.2) bích
Tính kiểm tra bích:
Xac dịnh lực nen chiều trục do xiếc bulong.
Q1 = Qa + Qk

Qa lực do ap suất trong thiết bị gay ra:
π
π
Qa = Dt2 P = 550 2 0,1039 = 24672,3537(N )
4
4
Qk lực cần thiết dể giử kín dệm:
Qa = πDt2b0 mP = π 550.20.1.0,1039 = 3588,706(N )
Q1=Qa+Qk=14130,5298(N)

24


ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị

GVHD : Hoàng Minh Nam

Với m:hệ số ap suất rieng.Theo bảng 7.2/192 tai liệu(6) ưng với dệm cao su cứng co
vải,day 2mm thì m=1,0
b0: bềrộng dệm,b0=20mm
Xac dịnh kực cần thiết dể ep chặc dệm ban dầu:
Q2 = πDtb b0 q0 = π 550.20.5,3 = 183062(N )

Với q0: ap suất cần thiết dể lam biến dạng dẻo dệm, tra bảng 7.2/192 tai lieu(6),q0=5,3
Xac dịnh lực tac dụng len 1 bulong:
q ma.x(Q Q2 )
qb = =
= 11441,375(N )
z
Z
ứng suất cho phep của vật liệu lam bể bulong:
tra bảng 7.5/194 tai liệu(6) [σ '] = 86 N / m 2 => [σ ] = k0 [σ '] = 0,8.86 = 68,8(N / m 2 )
dường kính chan ren của bulong:
q
11441,375
d1 = 1,13. b = 1,13.
= 14,5721 < 160mm
[σ ]
68,8
vậy bulong va dệm la hợp ly
Độ kín của mối ghép bích chủ yếu do vật đệm quyết định. Đệm làm bằng các vật liệu mềm
hơn so với vật liệu bích. Khi xiết bu lông, đệm bị biến dạng và điền đầy lên các chỗ gồ ghề trên
bề mặt của bích. Vậy, để đảm bảo độ kín cho thiết bị ta chọn đệm là dây amiăng, có bề dày là
3(mm).

4 . Đường kính các ống dẫn – Bích ghép các ống dẫn :

Bích được làm bằng thép CT3 , cấu tạo của bích là bích liền không cổ.

a . Vị trí nhập liệu :
Suất lượng nhập liệu: GF =766,5272 (Kg/h).
Khối lượng riêng của chất lỏng nhập liệu, tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] ở
tF = 100,1727oC và xF = 88% : ρF = 958,1589 (Kg/m3).
G
Lưu lượng chất lỏng nhập liệu đi vào tháp: QF = F = 0,8(m3/h).
ρF
Chọn vận tốc chất lỏng nhập liệu (tự chảy từ bồn cao vị vào mâm nhập liệu): vF =
0,2 (m/s).
4.QF
4.0,8
Đường kính ống nhập liệu: dF =
=
= 0,0376 (m).
3600.π .vF
3600.π .0,2
25


ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị

GVHD : Hoàng Minh Nam

Suy ra: chọn đường kính ống nhập liệu: dF = 0,040 (m).
Tài liệu tham khảo [4 (tập 2)], chọn chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích: lF = 40
(mm).
Các thông số của bích ghép ống dẫn nhập liệu:
Dt

Db

Dn

D

D1

h

Bu lông
db

(cái)

(mm)
40

100

45

130

Z

80

12

12

4

b . Ong hơi ở đỉnh tháp:
Suất lượng hơi ở đỉnh tháp: gd = 2525,6421 (Kg/h).
Khối lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp được tính theo công thức (xác định ở
tD = 100,0235oC và yD = 0,9813):
[18. yD + (1 − yD ).60].273 = 0,6113(Kg/m3).
ρh =
22,4.(t D + 273)
g
Lưu lượng hơi ra khỏi tháp: Qh = d = 4131,4748 (m3/h).
ρh
Chọn vận tốc hơi ở đỉnh tháp: vh = 25 (m/s).
4.Qh
4.4131,4748
Đường kính ống dẫn hơi: dh =
=
= 0,242 (m).
3600.π .vh
3600.π .25
Suy ra: chọn đường kính ống dẫn hơi: dh = 0,250 (m).
Tài liệu tham khảo [4(tập 2)], chọn chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích: lh =
250 (mm).
Các thông số của bích ghép ống dẫn hơi ở đỉnh tháp:
Dt

Db

Dn

D

D1

h

Bu lông
db

(cái)

(mm)
100

335

273

370

Z

312

16

16

12

c . Ong hoàn lưu:
Suất lượng hoàn lưu: Ghl = GD.R=2057,9306 (Kg/h).
Khối lượng riêng của chất lỏng hoàn lưu, tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] ở
tD = 100.0235oC và xD = 88% : ρhl = 957,9824 (Kg/m3).
G
Lưu lượng chất lỏng hoàn lưu: Qhl = hl = 2,1482 (m3/h).
ρ hl
Chọn vận tốc chất lỏng hoàn lưu (tự chảy từ bộ phận tách lỏng ngưng tụ vào tháp):
vhl = 0,2(m/s).
4.Qhl
4.2,1482
Đường kính ống hoàn lưu: dhl =
=
= 0,061 (m).
3600.π .vhl
3600.π .0,2
Suy ra: chọn đường kính ống hoàn lưu: dhl = 0,060 (m).
Tài liệu tham khảo [4 (tập 2)], chọn chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích: lhl = 60
(mm).
Các thông số của bích ghép ống dẫn hoàn lưu:
26


ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị

Dt

Db

GVHD : Hoàng Minh Nam

Dn

D

D1

h

Bu lông
db

(cái)

(mm)
70

130

76

160

Z

110

12

12

4

d . Ong dẫn hơi vào đáy tháp:
Suất lượng hơi vào đáy tháp: g’1 = 3141,1488 (Kg/h).
Khối lượng riêng của hơi vào đáy tháp được tính theo công thức (xác định ở
tW = 100,6266oC và yW = 0,9227):
[18. yW + (1 − yW ).60].273 = 0,6883 (Kg/m3).
ρhd =
22,4.(tW + 273)
g'
Lưu lượng hơi ra khỏi tháp: Qhd = 1 = 4563,676 (m3/h).
ρ hd
Chọn vận tốc hơi vào đáy tháp: vhd =30 (m/s).
4.Qhl
4.4563,676
Đường kính ống dẫn hơi: dhd =
=
= 0,2320 (m).
3600.π .vhl
3600.π .30
Suy ra: chọn đường kính ống dẫn hơi: dhd = 0,25 (m).
Tài liệu tham khảo [4 (tập 2)], chọn chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích: lhd =
250 (mm).
Các thông số của bích ghép ống dẫn hơi vào đáy tháp:
Dt

Db

Dn

D

D1

h

Bu lông
db

(cái)

(mm)
250

335

273

370

Z

312

16

16

12

e . Ong dẫn chất lỏng ở đáy tháp:
Suất lượng chất lỏng vào nồi đun:
G’1 =3439,9645 (Kg/h).
Khối lượng riêng của chất lỏng chất lỏng vào nồi đun, tra tài liệu tham khảo [4(tập
1)] ở tW = 100,6266oC và x’1=0,7745: ρL = 957,9493 (Kg/m3).
G'
Lưu lượng chất lỏng vào nồi đun: QL = 1 = 3,5909 (m3/h).
ρL
Chọn vận tốc chất lỏng vào nồi đun (chất lỏng tự chảy vào nồi đun):
vL = 0,2 (m/s).
4.QL
4.3,5909
Đường kính ống dẫn chất lỏng: dL=
=
=0,0797(m).
3600.π .vL
3600.π .0,2
Suy ra: chọn đường kính ống dẫn: dL = 0,080 (m).
Tài liệu tham khảo [4 (tập 2)], chọn chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích: lL = 80
(mm).
Các thông số của bích ghép ống dẫn chất lỏng ở đáy tháp:
Dt

Db

Dn

D

D1

h

Bu lông
db

Z

27


ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị

GVHD : Hoàng Minh Nam
(cái)

(mm)
50

150

89

185

128

16

16

4

f . Ong dẫn chất lỏng từ nồi đun (sản phẩm đáy):
Suất lượng sản phẩm đáy: GW = 298,8157(Kg/h).
Khối lượng riêng của sản phẩm đáy, tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] ở
tW= 100,6266oC và xW=0,8861: ρW = 957,4551 (Kg/m3).
G
Lưu lượng sản phẩm đáy: QW = W = 0.3121(m3/h).
ρW
Chọn vận tốc sản phẩm đáy (chất lỏng tự chảy): vW = 0, 2 (m/s).
4.QW
4.0,3121
=0,0235(m).
Đường kính ống dẫn sản phẩm đáy: dW=
=
3600.π .vW
3600.π .0,2
Suy ra: chọn đường kính ống dẫn: dW = 0,030 (m).
Tài liệu tham khảo [4 (tập 2)], chọn chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích: lW =
30 (mm).
Các thông số của bích ghép ống dẫn sản phẩm đáy:
Dt

Db

Dn

D

D1

h

Bu lông
db

(cái)

(mm)
32

90

38

120

Z

18

12

12

4

5 . Tai treo và chân đỡ:
Tính trọng lượng của toàn tháp:
Khối lượng của một bích ghép thân: (thép X18H10T: ρX18H10T = 7900 (Kg/m3)).
π
π
2
m1 = . D 2 − Dt .h.ρ X 18 H 10T = .(0,632 − 0,552 )0,02.7900 = 18,144(Kg).
4
4
Khối lượng của một mâm: (thép X18H10T: ρX18H10T = 7900 (Kg/m3)).
π 2
π
m2 = .Dt .δ mâm .0,7.ρ X 18 H 10T = .0,552.0,0018.0,7.7900 =1,955(Kg).
4
4
Khối lượng của thân tháp:
π
π
m3 = .(D2ng –D2t).Hthân . ρX18H10T = .(0,5562 − 0,552 ).14,2.7900
4
4
= 531,808 (Kg).
Khối lượng của đáy (nắp) tháp:
m4 = Sđáy .δđáy . ρX18H10T = 0,31 . 0,003 . 7900 = 7,347 (Kg).
Khối lượng của toàn tháp: m = 30.m1+53.m2+m3+2.m4=1193,537(Kg).
Suy ra trọng lượng của toàn tháp: P = m.g = 11708,598 (N).
Chân đỡ tháp:
Chọn chân đỡ: tháp được đỡ trên bốn chân. Tải trọng cho phép trên một chân: Gc

P 11708,598
= =
= 0,293.104 (N).
4
4
Để đảm bảo độ an toàn cho thiết bị, ta chọn: Gc = 0,5.104 (N).

(

)

28