Tính toán và thiết kế tháp chưng hỗn hợp nước, axit axetic với năng suất nhập liệu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM HUẾ

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Khoa: Cơ khí – công nghệ

Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc

ĐỒ ÁN MÔN HỌC
Sinh viên thực hiện: PHAN THỊ THU THẢO
Lớp: Công nghệ thực phẩm 46B
Ngành: Công Nghệ Thực Phẩm
1. Tên đề tài: Tính toán và thiết kế tháp chưng hỗn hợp Nước – Axit axetic với
năng suất nhập liệu là 1600kg/h.
2. Số liệu ban đầu
- Năng suất nhập liệu:1600kg/h
- Nồng độ nhập liệu: aF = 40%
- Nồng độ của sản phẩm đỉnh: aP= 97%
- Nồng độ của sản phẩm đáy: aW = 5%
3. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán
Chương I: Tổng quan về sản phẩm, quá trình chưng, dây chuyền công nghệ
Chương II: Tính công nghệ thiết bị chính
Chương III: Tính kết cấu công nghệ thiết bị chính
Chương IV: Tính thiết bị phụ
4. Các bản vẽ và phụ lục
- Một bản vẽ hệ thống thiết bị chính A1
- Một bản vẽ kỹ thuật quy trình công nghệ A3
5. Ngày giao nhiệm vụ:
6. Ngày hoàn thành đồ án:
Giáo viên hướng dẫn

TS. NGUYỄN VĂN HUẾ


Lời Mở Đầu
Sự phát triển về công nghệ bên cạnh đó là là sự phát triển về nhu cầu của con
người về độ tinh khiết cao. Vì vậy mà các phương pháp nâng cao độ tinh khiệt được
cải tiến và luôn được đổi mới để hoàn thiện: cô đặc, hấp thụ, chưng cất, trích ly…Tùy
vào từng đặc tính của sản phẩm mà ta lựa chọn phương pháp cho phù hợp.
Axit axetic đây là một trong những hợp phần quan trọng, nó không thể thiếu
trong cuộc sống hằng ngày, nó góp phần to lớn đến các ngành công nghiệp hóa học
cũng như công nghệ thực phẩm.
Đối với hệ Nước – Axit axetic là hệ 2 cấu tử tan vào nhau, do đó mà ta cần phải
dùng chưng cất để nâng cao nhiệt độ tinh khiết. Người ta thường sử dụng thiết bị tháp
mâm xuyên lỗ, làm việc ở áp suất thường.
Nhiệm vụ của đồ án này: tính toán và thiết kế hệ thống thiết bị chưng luyện liên
tục hỗn hợp hai cấu tử dễ bay hơi Nước và Axit axetic với năng suất nhập liệu
1600kg/h có nồng độ 40%, nồng độ sản phẩm đỉnh là 97%, nồng độ sản phẩm đáy 5%.


MỤC LỤC
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM, QUÁ TRÌNH...................................1
CHƯNG CẤT VÀ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ...................................................1
I. TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM.............................................................................................................1
1. Axit axetic...................................................................................................................................1
2. Nước...........................................................................................................................................2
3. Hỗn hợp nước – axit axetic.........................................................................................................2
II. QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT.................................................................................................................3
1. Khái niệm....................................................................................................................................3
2. Các phương pháp chưng cất.......................................................................................................4
3. Thiết bị chưng.............................................................................................................................4

III. QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ NƯỚC – AXIT AXETIC....................................................6
1. Sơ đồ quy trình công nghệ chưng cất hệ nước – axit axetic.......................................................6
2. Thuyết minh sơ đồ công nghệ....................................................................................................6

CHƯƠNG 2: TÍNH CÔNG NGHỆ THIẾT BỊ CHÍNH...........................................8
I. CÂN BẰNG VẬT LIỆU VÀ NHIỆT LƯỢNG...........................................................................................8
1. CÂN BẰNG VẬT LIỆU...................................................................................................................8
1.1. Thông số ban đầu.................................................................................................................8
1.2. Tính cân bằng vật liệu..........................................................................................................9
1.3. Thành phần mol cân bằng của các cấu tử dựa vào dữ liệu cân bằng pha..........................10
1.4. Xác định số đĩa lý thuyết....................................................................................................11
1.5. Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng và đoạn luyện............................13
1.6. Xác định số đĩa thực tế......................................................................................................13
2. Cân bằng nhiệt lượng trong quá trình chưng luyện..................................................................16
2.1. Cân bằng nhiệt của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu...........................................................17
2.2. Cân bằng nhiệt lượng cho toàn tháp.................................................................................18
2.2.1.Nhiệt lượng toả ra do hỗn hợp đầu mang vào tháp QF...............................................18


2.2.2. Nhiệt lượng lỏng hồi lưu mang vào QR.......................................................................18
2.2.3. Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp Qy...............................................................18
2.2.4. Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra Qw................................................................19
2.2.5. Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra Qng2................................................................19
2.3. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ......................................................................20
2.4. Cân nhiệt lượng cho thiết bị làm lạnh................................................................................21
II. CÁC THÔNG SỐ CHÍNH CỦA THÁP................................................................................................21
1. Đường kính tháp.......................................................................................................................21
1.1. Đường kính đoạn luyện.....................................................................................................21
1.2. Đường kính đoạn chưng....................................................................................................24
2. Chiều cao của tháp chưng luyện..............................................................................................27

3. Tính trở lực của tháp................................................................................................................27
3.1. Cấu tạo của mâm lỗ...........................................................................................................27
3.2. Trở lực đĩa khô...................................................................................................................28
3.3. Trở lực do sức căng bề mặt................................................................................................28
3.3. Trở lực do sức căng bề mặt................................................................................................28
3.4. Trở lực thủy tĩnh do chất lỏng trên đĩa tạo ra....................................................................29
3.5. Tổng trở lực thủy lực của tháp...........................................................................................30
3.6. Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động................................................................................30

CHƯƠNG 3: TÍNH CƠ KHÍ THIẾT BỊ CHÍNH...................................................32
I. CHỌN VẬT LIỆU..............................................................................................................................32
II. TÍNH BỀ DÀY CỦA THÁP................................................................................................................32
1. Các thông số cần tra và chọn phục vụ cho quá trình tính toán.................................................32
2. Tính bề dày thân chịu áp suất trong.........................................................................................32
3. Kiểm tra độ bền........................................................................................................................33
III. TÍNH ĐÁY VÀ NẮP THIẾT BỊ..........................................................................................................33
IV. ĐƯỜNG KÍNH ỐNG DẪN..............................................................................................................33
1. Đường kính ống dẫn hơi ở đỉnh tháp vào thiết bị ngưng tụ.....................................................33


2. Đường kính ống dẫn hỗn hợp đầu............................................................................................34
3. Đường kính ống dẫn sản phẩm đáy..........................................................................................35
4. Đường kính ống dẫn hơi vào đáy tháp......................................................................................36
5. Đường kính ống hồi lưu............................................................................................................36
V. BỀ DÀY LỚP CÁCH NHIỆT..............................................................................................................37
VI. MẶT BÍCH....................................................................................................................................38
1. Bích để nối thiết bị....................................................................................................................38
2. Bích nối tháp với ống dẫn.........................................................................................................38
VII. CỬA NỐI VỚI ỐNG DẪN THIẾT BỊ................................................................................................39
VIII. TAI TREO VÀ CHÂN ĐỠ THIẾT BỊ................................................................................................39

1. Khối lượng toàn tháp................................................................................................................39
2. Tai treo, chân đỡ.......................................................................................................................41

CHƯƠNG 4: THIẾT BỊ PHỤ...................................................................................43
I. THIẾT BỊ NGƯNG TỤ SẢN PHẨM ĐỈNH...........................................................................................43
1. Hiệu số nhiệt độ trung bình......................................................................................................43
2. Xác định hệ số cấp nhiệt của nước đi trong ống.......................................................................43
3. Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu...........................................................................................44
4. Xác định hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ ngoài ống...............................................................44
5. Xác định hệ số truyền nhiệt......................................................................................................46
6. Bề mặt truyền nhiệt..................................................................................................................46
II.THIẾT BỊ LÀM NGUỘI SẢN PHẨM ĐÁY...........................................................................................46
1. Suất lượng nước cần dùng để làm mát sản phẩm đáy..............................................................47
......................................................................................................................................................47
2. Xác định bề mặt truyền nhiệt...................................................................................................47
III. THIẾT BỊ GIA NHIỆT DÒNG NHẬP LIỆU.........................................................................................50
1. Nhiệt lượng cung cấp cho dòng nhập liệu...............................................................................51
2. Suất lượng hơi nước cần dùng để gia nhiệt..............................................................................51
IV.NỒI ĐUN ĐÁY THÁP......................................................................................................................54


1. Hiệu số nhiệt độ trung bình......................................................................................................54
2. Xác định hệ số cấp nhiệt của dòng sản phẩm đáy ngoài ống....................................................55
3. Xác định hệ số cấp nhiệt của hơi đốt nóng trong ống...............................................................56
4. Xác định hệ số truyền nhiệt......................................................................................................57
5. Bề mặt truyền nhiệt..................................................................................................................57
III. TÍNH CHIỀU CAO BỒN CAO VỊ......................................................................................................57
1. Áp suất động lực học................................................................................................................57
2. Áp suất khắc phục trở lực do ma sát.........................................................................................58
3. Áp suất khắc phục trở lực cục bộ..............................................................................................58

VI. TÍNH TOÁN VÀ CHỌN BƠM.........................................................................................................60
1. Tính năng suất của bơm............................................................................................................60
2. Tính áp suất toàn phần của bơm..............................................................................................61
3. Tính tổn thất áp suất do trở lực cục bộ.....................................................................................62
4. Tính áp suất để nâng chất lỏng lên cao.....................................................................................62

CHƯƠNG IV:............................................................................................................65
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................66


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1: So sánh ưu và nhược điểm của các loại tháp...............................................5
Bảng 2: Bảng ký hiệu...................................................................................................8

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 2.1: Đồ thị t – x,y của hỗn hợp Nước – Axit acetic..........................................3
Hình 2.2: Đồ thị cân bằng lỏng hơi cửa hỗn hợp Nước và Axit axetic.....................3
Hình 2.4. Sơ đồ cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện.................................16


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM, QUÁ TRÌNH
CHƯNG CẤT VÀ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ
I. TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM
1. Axit axetic
a. Tính chất
- Axit axetic còn gọi là etanoic, là một axit hữu cơ, có công thức phân tử là
CH3COOH.
- Là một chất lỏng không màu, có mùi thơm đặc trưng, vị chua, tỉ trọng so với
nước ở trạng thái lỏng 1,049kg/cm3 ở 200C và ở trạng thái rắn 1,226kg/cm3.
- Khi hạ nhiệt độ xuống thì đông đặc thành một khối tinh thể có t nc = 16,50C; ts =

118,10C.
- Tan vô hạn trong nước, rượu và ete theo bất kì tỉ lệ nào.
- Là 1 axit yếu, hằng số phân ly nhiệt động học của nó là K a= 1,75*10-5 ở 250C;
pKa = 4,76.
- Tính ăn mòn kim loại:
+ Axit axetic ăn mòn sắt.
+ Nhôm bị ăn mòn bởi axit loãng, nó đề kháng tốt với axit axetic đặc và thuần
khiết. Đồng và chì bị ăn mòn với sự hiện diện của không khí.
+ Thiếc và một số loại thép nikel – crom đề kháng tốt đối với axit axetic.
b. Điều chế
- Oxy hóa có xúc tác đối với cồn etylic để biến thành andehit axetic, là một giai
đoạn trung gian.
Sự oxy hóa kéo dài sẽ tiếp tục oxy hóa andehit axetic thành axit axetic.
CH3CHO + 2O2 = CH3COOH
C2H5OH + O2 = CH3COOH + H2O
• Oxy hóa andehit axetic được tạo thành bằng cách tổng hợp từ axetylen
Sự oxy hóa andehit được tiến hành bằng khí trời với sự hiện diện của coban
axetat. Người ta thao tác trong andehit axetic ở nhiệt độ gần 80 0C để ngăn chặn sự
hình thành của peoxit. Hiệu xuất đạt được là 95% - 98% so với lý thuyết. Người ta đạt
như thế rất dễ dàng sau khi axit axetic kết tinh được.
CH3CHO + 2O2 coban axetat ở 800C
CH3COOH
• Tổng hợp từ cồn metylic và cacbon oxit
1


Hiệu suất có thể đạt được 50% - 60% so với lý thuyết bằng cách ổn định cacbon
oxit trên cồn metylic qua xúc tác.
Nhiệt độ từ 200 – 5000C, áp suất 100 – 200 atm.
CH3CHO + CO → CH3COOH

c. Ứng dụng
- Axit axetic là nguyên liệu dùng để sản xuất nhiều mặt hàng khác nhau và được
ứng dụng rộng rãi trong các ngành: công nghiệp nặng, y tế, dược, giao thông vận tải…
Vì nó là một loại axit rẻ tiền nhất.
- Axit axetic là một trong những ứng dụng quan trọng trong các loại axit hữu cơ.
Nguồn tiêu thụ chủ yếu:
+ Làm giấm ăn ( chứa 4,5% axit axetic ).
+ Làm đông đặc nhựa mủ cao su.
+Làm chất dẻo sợi celluloza acetat – làm phim ảnh không nhạy lửa.
+ Làm chất kết dính polyvinyl acetat.
+ Làm phẩm màu, dược phẩm, nước hoa tổng hợp.
2. Nước
- Trong điều kiện thường: nước là chất lỏng không màu, không mùi, không vị.
- Khi hóa rắn nó có thể tồn tại ở 5 dạng tinh thể khác nhau.
Khối lượng phân tử: 18g/mol
Khối lượng riêng d4oC: 1g/ml
Nhiệt độ nóng chảy: 00C
Nhiệt độ sôi: 1000C
• Nước là dung môi tốt nhờ vào tính lưỡng cực:
+ Các hợp chất phân cực hoặc có tính ion như axit, rượu và muối đều dễ tan
trong nước.
+ Tính hòa tan của nước nó đóng vai trò quan trọng trong sinh học vì có nhiều
phản ứng hóa sinh chỉ xảy ra trong dung dịch nước.
• Nước được sử dụng trong công nghiệp từ lâu như là nguồn nhiên liệu, nước là
một chất trao đổi nhiệt, và là dung môi quan trọng trong kỹ thuật hóa học.
3. Hỗn hợp nước – axit axetic
Ta có bảng: Thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp nước –
axit acetic ở 760 mmHg.

X

0

5

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Y

0

9,2

16,7

30,3

42,5

53

62,6

71,6

79,5

86,4

93

100

100,
6

100

T 118,4 115,4 113,8 110,1 107,5

105,
8

104,4 103,3 102,1 101,3

Từ bảng số liệu ta vẽ đường cân bằng trên đồ thị x-y và đồ thị t-x,y.

2


Hình 2.1: Đồ thị t – x,y của hỗn hợp Nước – Axit acetic

Hình 2.2: Đồ thị cân bằng lỏng hơi cửa hỗn hợp Nước và Axit axetic
II. QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT
1. Khái niệm
- Chưng là phương pháp tách hỗn hợp chất lỏng dựa trên nhiệt độ bay hơi của chúng.
- Chưng khác với cô đặc: trong quá trình chưng, các cấu tử đều bay hơi, còn
trong cô đặc thì chỉ có dung môi bay hơi mà chất tan không bay hơi.
- Sản phẩm của quá trình chưng tuy chưa đạt tinh khiết tuyệt đối, nhưng nồng độ
3


của nó khá cao.
- Khi chưng cất ta thu được nhiều sản phẩm và thường hệ có bao nhiêu cấu tử thì
ta sẽ thu được bấy nhiêu sản phẩm:
• Đối với hệ 2 cấu tử: Nước – Axit axetic:
+ Sản phẩm đỉnh chủ yếu là nước và một ít axit axetic.
+ Sản phẩm đáy chủ yếu là axit axetic và một ít nước.
2. Các phương pháp chưng cất
Các phương pháp chưng cất được phân loại dựa theo:
+ Áp suất làm việc
+ Chưng cất ở áp suất thấp.

+ Chưng cất ở áp suất thường.
+ Chưng cất ở áp suất cao.
• Nguyên tắc: dựa vào nhiệt độ sôi của các cấu tử, nếu nhiệt độ sôi của các cấu tử
quá cao thì ta phải giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi của cấu tử.
Phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp:
+ Cấp nhiệt trực tiếp bằng hơi nước: thường được áp dụng trường hợp chất được
tách không tan trong nước.
+ Cấp nhiệt gián tiếp bằng hơi nước: áp dụng đối với trường hợp chất được tách
tan vào trong nước.

Phương thức làm việc:
+ Chưng liên tục là quá trình được thực hiện liên tục, nghịch dòng, và nhiều đoạn.
+ Chưng gián đoạn: phương pháp này sử dụng trong các trường hợp:
• 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 nhiều cấu tử.
Đối với hệ Nước – Axit axetic ta dùng phương pháp chưng luyện liên tục để tách
hệ này.
3. Thiết bị chưng
- Trong sản xuất thì có rất nhiều tháp chưng nhưng chúng đều có chung là diện
tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều này nó phụ thuộc vào độ phân tán của cấu tử
này vào cấu tử kia.
- Kích thước của tháp: đường kính tháp và chiều cao của tháp nó phụ thuộc vào
suất lượng pha lỏng, pha khí của tháp và độ tinh khiết của sản phẩm.
- Các loại tháp thường dùng trong công nghiệp:
+ Tháp chưng cất dùng mâm xuyên lỗ hoặc mâm đĩa tưới.
+ Tháp chưng cất dùng mâm chóp.
+ Tháp đệm: tháp chưng cất dùng vật chêm.
- Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có cấu

tạo khác nhau, trên đó pha lỏng và pha hơi được tiếp xúc với nhau. Tùy theo cấu tạo
đĩa mà ta có:

4


+ Tháp mâm chóp: trên mâm có bố trí các chóp dạng tròn hay một dạng khác, có
rãnh xung quanh để pha khí đi qua và ống chảy chuyền có hình tròn.
+ Tháp mâm xuyên lỗ: Trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh có đường kính 3 – 12mm
được bố trí trên các đỉnh tam giác, bước lỗ bằng 2,5 đến 5 lần đường kính.
- 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 2 phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp
theo thứ tự.
Bảng 1: So sánh ưu và nhược điểm của các loại tháp
Tháp đệm

Tháp mâm xuyên lỗ

Tháp chóp

Ưu
điểm

- Cấu tạo khá đơn giản.
- Trở lực thấp.

- Chế tạo đơn giản
- Hiệu suất truyền
- Trở lực thấp hơn tháp khối cao, ổn định.
chóp, ít tốn kim loại - Ít tiêu hao năng

hơn tháp chóp
lượng hơn nên có số
mâm ít

Nhược
điểm

- Hiệu suất thấp
- Kém ổn định do sự phân
bố các pha theo tiết diện
tháp không đều.
- Sử dụng tháp 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
rệt.

- Yêu cầu lắp đặt cao:
mâm phải rất phẳng,
đối với những tháp có
đường kính quá lớn (>
2,4m) ít dùng mâm
xuyên lỗ vì lúc đó chất
lỏng phân phối không
đều trên mâm.
- Trở lực khá cao

- Cấu tạo phức tạp

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

Nhận xét: Tháp mâm xuyên lỗ ở trạng thái trung gian giữa 2 tháp nên ta chọn
tháp mâm xuyên lỗ để chưng cất.
Vậy: chưng cất hệ Nước – Axit axetic ta dùng tháp mâm xuyên lỗ hoạt động ở áp
suất thường.

5


III. QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ NƯỚC – AXIT AXETIC
1. Sơ đồ quy trình công nghệ chưng cất hệ nước – axit axetic
1. Bồn chứa nguyên liệu.
2. Bơm.
3. Bồn cao vị.
4. Thiết bị đun sôi dòng nhập liệu.
5. Bẫy hơi.
6. Lưu lượng kế.
7. Nhiệt kế.
8. Tháp chưng cất.
9. Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh.
10. Áp kế
11. Thiết bị đun sôi sản phẩm đáy.
12. Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy.
13. Bồn chứa sản phẩm đáy.
14. Bộ phận chia dòng.
15. Bồn chứa sản phẩm đỉnh.
2. Thuyết minh sơ đồ công nghệ

Hỗn hợp Nước – Axit axetic có nồng độ 40% ( theo khối lượng), nhiệt độ nhập
liệu là 280C tại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3). Tiếp
theo, hỗn hợp được dẫn qua thiết bị đun sôi nhập liệu ( thiết bị trao đổi nhiệt) (4). Sau
đó, được đưa qua van (6) để điều chỉnh lưu lượng trước khi vào tháp chưng (8) ở đĩa
nhập liệu.
Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với chất lỏng từ đoạn luyện của tháp chảy
xuống. Trong tháp, hơi đi từ dưới lên gặp chất lỏng đi từ trên xuống. Tại đây, có sự
tiếp xúc và trao đổi giữa pha lỏng và hơi với nhau. Pha lỏng chuyển động trong phần
chưng, càng xuống dưới càng giảm nồng độ các cấu tử để bay hơi vì đã bị pha hơi tạo
nên từ nồi đun (11) lôi cuốn các 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 axit axetic sẽ
ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được cấu tử nước chiếm nhiều nhất ( có
nồng độ 97% theo phần khối lượng). Hơi này sẽ đi vào thiết bị ngưng tụ (9) và sẽ được
ngưng tụ hoàn toàn. Một phần chất lỏng ngưng tụ nó sẽ được trao đổi nhiệt với dòng
nhập liệu trong thiết bị (4). Phần còn lại của chất lỏng ngưng tụ nó sẽ được hồi lưu về
tháp ở đĩa trên cùng. Một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp được bốc hơi, còn lại là cấu
tử có nhiệt độ sôi cao trong chất lỏng nó sẽ càng tăng. Cuối cùng ở đáy tháp ta sẽ thu
được hỗn hợp lỏng là hầu hết các cấu tử khó bay hơi ( axit axetic). Hỗn hợp lỏng ở đáy
có nồng độ là nước 5% ( theo khối lượng). Dung dịch lỏng ở đáy nó sẽ đi ra khỏi tháp
rồi vào nồi đun (11). Trong nồi đun (11) 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 và đi ra qua thiết bị làm
nguội sản phẩm đáy (12), rồi sau đó được đưa qua bồn chứa sản phẩm đáy (13).
Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là nước, sau khi trao đổi với
6


dòng nhập liệu và được thải bỏ. Sản phẩm đáy là axit axetic được giữ lại.

7

CHƯƠNG 2: TÍNH CÔNG NGHỆ THIẾT BỊ CHÍNH
I. CÂN BẰNG VẬT LIỆU VÀ NHIỆT LƯỢNG
1. CÂN BẰNG VẬT LIỆU
1.1. Thông số ban đầu
- Chọn loại tháp mâm xuyên lỗ
Khi chưng luyện dung dịch axit axetic thì cấu tử dễ bay hơi là nước.
+ Axit axetic: CH3COOH, MA= 60 (g/mol)
+ Nước: H2O, MA = 18 (g/mol)
- Năng suất nhập liệu: GF = 1600 (kg/h).
- Nồng độ hỗn hợp ban đầu: aF = 40% khối lượng.
- Nồng độ sản phẩm đỉnh: aF = 97% khối lượng.
- Nồng độ sản phẩm đáy: aW = 5% khối lượng.
- Chọn:
+ Nhiệt độ nhập liệu: 280C.
+ Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi làm nguội: 300C.
+ Nhiệt độ dòng nước lạnh đi vào: 300C.
+ NHhieejtj độ dòng nước lạnh đi ra: 450C.
+ Trạng thái nhập liệu là trạng thái lỏng sôi.
+ Áp suất hơi đốt: Ph = 3at.
- Các ký hiệu:
Bảng 2: Bảng ký hiệu
Ký hiệu

Tên gọi

Đơn vị

GF

Lưu lượng khối lượng dòng nguyên liệu

Kg/h

GP

Lưu lượng khối lượng dòng sản phẩm đỉnh

Kg/h

GW

Lưu lượng khối lượng dòng sản phẩm đáy

Kg/h

F

Lưu lượng dòng nguyên liệu

Kmol/h

P

Lưu lượng của dòng sản phẩm đỉnh

Kmol/h

W

Lưu lượng của dòng sản phẩm đáy

Kmol/h

aF

Phần khối lượng cấu tử nhẹ trong dòng nguyên liệu

% khối lượng

aP

Phần khối lượng cấu tử nhẹ trong dòng sản phẩm đỉnh

% khối lượng

aW

Phần khối lượng cấu tử nhẹ trong dòng sản phẩm đáy

% khối lượng

xF

Phần mol cấu tử nhẹ trong pha lỏng dòng nguyên liệu

% mol

xp

Phần mol cấu tử nhẹ trong pha lỏng dòng sản phẩm đỉnh

% mol

xW

Phần mol cấu tử nhẹ trong pha lỏng dòng sản phẩm đáy

% mol

yF

Phần mol cấu tử nhẹ trong pha hơi dòng nguyên liệu

% mol

8


yP

Phần mol cấu tử nhẹ trong pha hơi dòng sản phẩm đỉnh

% mol

yW

Phần mol cấu tử nhẹ trong pah hơi dòng sản phẩm đáy

% mol

1.2. Tính cân bằng vật liệu
- Công thức liên hệ nồng độ phần mol và nồng độ phần khối lượng:

x
- Thành phần mol của nước ở sản phẩm đỉnh:

= 0,69 ( phần mol )
- Thành phần mol nước ở sản phẩm đỉnh:

0,99 ( phần mol )
- Thành phần mol nước của sản phẩm đáy:

0,15 ( phần mol )
- Tính phân tử lượng trung bình của hỗn hợp theo công thức:

)
+ Trong hỗn hợp đầu:

MF = MA * xF + MB *( 1- xF ) = 18*0,69 + 60*( 1- 0,69) = 31,02 ( kg/kmol )
+ Trong sản phẩm đỉnh:
Mp = MA * xP + MB*( 1-xP ) = 18 * 0,99 + 60* ( 1- 0,99 ) = 18,42 ( kg/kmol)
+ Trong sản phẩm đáy:
MW = MA * xp + MB*( 1- xW ) = 18 * 0,15 + 60 * ( 1- 0,15 ) = 53,7 (kg/kmol)
- Phuơng trình cân bằng vật liệu của tháp:

GF = GP + GW (1)
- Đối với cấu tử dễ bay hơi:

aF * GF = aP * GP + aW * Gw (2)

từ (1) và (2) suy ra:

+ Lưu lượng khối lượng dòng sản phẩm đỉnh:

Lưu lượng khối lượng dòng sản phẩm đáy:

9


- Lưu lượng mol tính theo công thức:

+ Lưu lượng mol của nguyên liệu vào:

+ Lưu lượng mol của sản phẩm đỉnh:

+ Lưu lượng mol của sản phẩm đáy:

1.3. Thành phần mol cân bằng của các cấu tử dựa vào dữ liệu cân bằng pha
Ta có số liệu cân bằng pha của hỗn hợp Nước – Axit axetic ở áp suất thường ( sổ
tay QTTB – T2 – T148 ), thiết lập đồ thị phụ thuộc giữa đại lượng x-y, T – x, y ( hình
2.1 và hình 2.2 ). Từ đó mà ta xác định được phần mol các cấu tử trong pha hơi nằm
cân bằng với pha lỏng ứng với nhiệt độ sôi của từng dòng F, P, W.
- Gọi yF*, yp*, yp* là nồng độ phần mol của pha hơi cân bằng với lỏng trong hỗn
hợp đầu, sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy, t F, tP, tW là nhiệt độ sôi của hỗn hợp đầu, của
sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy.
- Bằng phương pháp nội suy và dựa vào đồ thị ta có kết quả như sau:

Sản phẩm

x

Y

ts0C

F

0,69

0,79

102,22

P

0,99

0,993

100,06

W

0,15

0,235

111,95

10

1.4. Xác định số đĩa lý thuyết
a. phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng và đoạn luyện
Gọi:
+ Gx: Lưu lượng pha lỏng hồi lưu trở lại tháp.
+ Gy: Lưu lượng pha hơi đi từ dưới lên.
+ P: Lưu lượng sản phẩm đỉnh.
+ x: Nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng chảy từ đĩa trên
xuống.
+ y: Nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi chảy từ đĩa dưới lên.
- Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn luyện:

Trong đó: là chỉ số hồi lưu.
- Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng

và đi qua điểm .
b. Chọn tỉ số hồi lưu thích hợp
- Đường nồng độ làm việc của đoạn luyện cắt trục O y trên đồ thị cân bằng pha
x-y tại điểm B. Điểm B phụ thuộc vào giá trị chỉ số hồi lưu làm việc Rx.
được chọn qua tỉ số hồi lưu tối thiểu theo công thức:
Rx = b* Rxmin . Với b: hệ số dư, b ( 1,22,5 ); ( CT IX.25, T158 [2] )
Trong đó:

Với mỗi giá trị của b (1,22,5) ta tính được , suy ra toạ độ điểm B của đường làm
việc đoạn luyện ứng với giá trị này, vẽ được đường làm việc đoạn chưng, vẽ số bậc
thay đổi nồng độ và xác định được số đĩa lý thuyết.

11

B

Rx

B

1,2

2,4

0,29

1,4

2,8

0,26

1,6

3,2

0,24

1,8

3,6

0,215

2,0

4

0,198

2,2

4,4

0,183

2,4

4,8

0,171

Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp tương ứng với số đĩa lý thuyết tối ưu:
Vlàm việc Nlt(Rx+1). Sau khi xác định số đĩa lý thuyết ta có bảng số liệu sau:
Nlt

Nlt(Rx + 1)

57

193,8

35

133

33

138,6

29

133,4

27

135

24

129,6

24

139,2

Từ bảng số liệu trên, ta có thể biểu diễn quan hệ Nlt(Rx + 1) và Rx
Nhận xét: Tích Nlt(Rx + 1) nhỏ nhất là 129,6 khi b = 2,2
Do đó ta chọn giá trị b = 2,2 khi đó Rx có giá trị tối ưu và Rx = 2
Đồ thị bậc thay đổi nồng độ: thiếu đồ thị
90
80
70

60
50
40
30
20
10

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Từ đồ thị trên, ta xác định được sô bậc thay đổi nồng độ tương ứng với R x = 2 ta
xác định được số mâm lý thuyết thu được là 24 mâm.

12

1.5. Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng và đoạn luyện
a. Đoạn luyện
Ta có phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn luyện có dạng:

Trong đó :

Với: Rx= 2

b. Đoạn chưng
Ta có phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng có dạng:

1.6. Xác định số đĩa thực tế
a. Tính số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình
( CT IX.59, T170, [2] )
Trong đó:
+ Nlt: số bậc thay đổi nồng độ hoặc số đĩa lý thuyết.
+ : hiệu suất trung bình của thiết bị.
)
Với:
+ η1, η2...: hiệu suất của các bậc thay đổi nồng độ.
+ n: số vị trí tính hiệu suất
+ ηtb: hàm số của độ bay hơi tương đối của hỗn hợp và độ nhớt của hỗn hợp lỏng

13


Trong đó:
+ α: độ bay hơi tương đối hỗn hợp lỏng.
+ µ: độ nhớt của hỗn hợp lỏng.

Trong chưng luyện người ta tính độ bay hơi tương đối như sau:

Trong đó:
+ x,y: nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi của pha lỏng.
+ α: độ bay hơi tương đối của hỗn hợp.
+ µ: độ nhớt của hỗn hợp lỏng N.s/m2.
b. Tính α, μ tại 3 vị trí: đĩa nạp liệu, đỉnh và đáy tháp
 Tại đĩa nạp liệu
- Từ xF = 0,69 ta tra đồ thị cân bằng của hệ ta có : y*F = 0,79; tF = 102,220C.
- Dùng phương pháp nội suy ta suy ra được: ( Bảng I.101, T91, T92, [1] )

aF =

*

= 1,6901

Suy ra: αF * µF = 1,6901 * 0,3227 = 0,54
Tra giản đồ thực nghiệm tại ( Hình IX.11,st 2/ T171): ηF = 0,59

(4)

 Tại vị trí mâm đỉnh:
- Từ xp = 0,99 ta tra đồ thị cân bằng của hệ: yp* = 0,995; tP = 100,060C
- Độ bay hơi tương đối của hỗn hợp lỏng tại vị trí đỉnh :

- Tìm độ nhớt của hỗn hợp lỏng tại vị trí đỉnh:
14

+ Tại t = 100,060C dùng phương pháp nội suy ta tra được độ nhớt của nước và
axit axetic ( Bảng I.101, T91,92, [1] )

= 0,29
Suy ra ta có: = 2,01

= 0,58 ta suy ra = 0,52 (Hình IX.11, T171, [2]) ( 5)

 Tại vị trí mâm đáy
- Từ ta tra đồ thị cân bằng của hệ: ; tW = 111,950C
- Độ bay hơi tương đối của hỗn hợp lỏng tại vị trí đáy :

- Tìm độ nhớt của hỗn hợp lỏng tại vị trí đáy:
+ Tại t = 111,950C dùng phương pháp nội suy ta tra được độ nhớt của nước và
axit axetic (bảng I.101, T 91,92, [1])

= 0,15 lg0,253 + (1
0,194 (cP)
Suy ra : αW µW = 0,194 1,74 = 0,34
+ Từ tích số = 1,74 0,34 = 0,6 ta suy ra = 0,63 (Hình IX.11, T171, [2]). ( 6)
+ Từ 4, 5, 6 suy ra:
Hiệu suất trung bình của tháp:
- Số đĩa thực tế của tháp Ntt :

Vậy chọn Ntt = 42 đĩa
+ Trong đó :
Số đĩa thực tế của đoạn luyện NL=
Số đĩa thực tế của đoạn chưng: Nc =
Số đĩa thực tế của đoạn luyệnNL= 32,4 đĩa, chọn 32 đĩa.
Số đĩa thực tế của đoạn chưng: Nc = 9,8 đĩa, chọn 10 đĩa.

15


2. Cân bằng nhiệt lượng trong quá trình chưng luyện
Mục đích:
- Xác định được lượng nước lạnh cần thiết để cho vào quá trình ngưng tụ và làm
lạnh.
- Xác định được lượng hơi đốt cần thiết khi đun nóng hỗn đầu và đun bốc hơi ở
đáy tháp.
- Chọn nước làm chất tải nhiệt vì nó là nguồn nhiên liệu rẻ tiền, phổ biến và dễ
tìm trong thiên nhiên và có khả năng đáp ứng yêu cầu công nghệ.

Hình 2.4. Sơ đồ cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện
- Giải thích:
Ký hiệu

Ý nghĩa

Đơn vị

QD1

Nhiệt độ do hơi đốt mang vào thiết bị đun nóng

J/h

Qf

Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào thiết bị đun nóng

J/h

QF

Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra khỏi thiết bị đun nóng hay
mang vào tháp chưng luyện

J/h

Qng1

Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra khỏi thiết bị đun nóng J/h

J/h

Qxq1

Nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh

J/h

QD2

Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào cần đun nóng sản phẩm đáy

J/h

QR

Nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào

J/h

Qy

Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp

J/h

QW

Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra khỏi tháp

J/h

Qng2

Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra khỏi tháp

J/h

16


Qxq2

Nhiệt lượng do mất mát ra môi trường xung quanh

J/h

2.1. Cân bằng nhiệt của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu
- Phương trình cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng
QD1 + Qf = QF + Qng1 + Qxq1 ( CT IX.149, T196, [2] )
Trong đó:
QD1 = D1λ1 = D1( r1 +θ1C1 ) J/h ( CT IX.150, T196, [2] )
Với:
D1: lượng hơi đốt mang vào, kg/h
λ1: hàm nhiệt của hơi nước, J/kg
r1: ẩn nhiệt hóa hơi của hơi nước, J/kg
θ1: nhiệt độ của nước ngưng, 0C
C1: nhiệt dung riêng của nước ngưng, J/kg .độ
Qxq1 = 5%QD1 = 5%D1r1 (J/h) ( CT IX.154, T197[2] )
Qng1 = Gng1C1θ1 = D1C1θ1 (J/h) ( CT IX.153, T197[2] )
Với:
Gng1: lượng nước ngưng ( lấy bằng lượng hơi đốt ), kg/h.
Qf = GFtfCf (J/h)
(CT IX.151, T196[2])
QF = GFtFCF (J/h)
(CT IX.152, T196[2])
Với:
tf: nhiệt độ hỗn hợp đầu 0C, chọn tf = 280C
tF: nhiệt độ điểm sôi của hỗn hợp khi ra khỏi thiết bị đun nóng 0C, chọn
tF = 102,220C
CF: nhiệt dung riêng của hỗn hợp khi ra khỏi thiết bị đun nóng, (J/kg*độ)
Cf: nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu, (J/kg*độ)
Suy ra, lượng hơi nước bão hoà cần thiết để đun nóng hỗn hợp đầu là:

- Tính nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu:
Sử dụng công thức nội suy ta có:

Bảng I.153, t172, [1]
Bảng I.154, T172, [1]
(J/ kg*độ)
= 1600*2896,64*28= 129769472
- Nhiệt dung riêng của hỗn hợp khi đi ra khỏi thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu:
(J/ kg*độ)

17


(J/ kg*độ) Bảng I.154, T172, [1]
(J/ kg*độ)
Ta chọn hơi nước bão hoà đun sôi ở áp suất P= 3atm; t 0 = 132,9 0C, từ đó ta tra
được ẩn nhiệt hoá hơi của hơi đốt:
( J/kg) Bảng I.125, T315,[1]
Do đó:

2.2. Cân bằng nhiệt lượng cho toàn tháp

2.2.1.Nhiệt lượng toả ra do hỗn hợp đầu mang vào tháp QF

2.2.2. Nhiệt lượng lỏng hồi lưu mang vào QR

- Trong đó:
+ GP là lưu lượng sản phẩm đỉnh, (kg/h)
+ Rx là chỉ số hồi lưu tối ưu
+ CR là nhiệt dung riêng của chất lỏng hồi lưu, (J/kg*độ)
+ tR là nhiệt độ của lượng lỏng hồi lưu, (0C)
- Nhiệt dung riêng của lượng lỏng hồi lưu ứng với nhiệt độ tR= tP= 100,060C là:
Bảng I.153, t172, [1]

(J/ kg*độ)

Bảng I.154, T172, [1]

Suy ra:
608,69*2*

*100,06

2.2.3. Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp Qy
- Trong đó:
là nhiệt lượng riêng của hơi mang ra ở đỉnh tháp, (J/kg)
là nhiệt lượng riêng của cấu tử A và B ở đỉnh tháp, (J/kg
tP là nhiệt độ của đỉnh tháp, tP=100,060C
18