Chưng cất mâm xuyên lỗ acetic nước

ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị

GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ

MỤC LỤC
trang

LỜI MỞ ĐẦU
CHƯƠNG I : TỔNG QUAN
I . LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT
3
II . GIỚI THIỆU SƠ BỘ NGUYÊN LIỆU
4
III . CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ ACID AXETIC– NƯỚC 6
CHƯƠNG II : CÂN BẰNG VẬT CHẤT
I . CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU
8
II . XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG SẢN PHẨM ĐỈNH VÀ SẢN PHẨM
ĐÁY
8
III . XÁC ĐỊNH TỈ SỐ HOÀN LƯU THÍCH HỢP
9
IV . PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LÀM VIỆC – SỐ MÂM LÝ
THUYẾT
9
V . XÁC ĐỊNH SỐ MÂM THỰC TẾ
10
CHƯƠNG III :TÍNH TOÁN –THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT
I . ĐƯỜNG KÍNH THÁP
12
II . MÂM LỖ – TRỞ LỰC CỦA MÂM

15
III . TÍNH TOÁN CƠ KHÍ CỦA THÁP
19
CHƯƠNG IV : TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆTTHIẾT BỊ PHỤ
I . CÁC THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT
27
II. TÍNH BẢO ÔN CỦA THIẾT BỊ
38
III . TÍNH TOÁN BƠM NHẬP LIỆU
39
CHƯƠNG V : GIÁ THÀNH THIẾT BỊ
I . TÍNH SƠ BỘ GIÁ THÀNH CỦA THIẾT BỊ
45
II . KẾT LUẬN
46
TÀI LIỆU THAM KHẢO

SVTH NGUYỄN BÁ DUY

1


ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị

GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ

LỜI MỞ ĐẦU
Một trong những ngành có sự đóng góp to lớn đến ngành công nghiệp nước ta nói
riêng và thế giới nói chung, đó là ngành công nghiệp hóa học. Đặc biệt là ngành hóa
chất cơ bản.

Ngày nay, các phương pháp được sử dụng để nâng cao độ tinh khiết: trích ly,
chưng cất, cô đặc, hấp thu… Tùy theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có sự lựa
chọn phương pháp thích hợp. Đối với hệ acid axetic- Nước là 2 cấu tử tan lẫn hoàn
toàn, ta phải dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho acid axetic.
Nhiệm vụ của ĐAMH là thiết kế tháp chưng cất hệ acid axetic - Nước hoạt động
liên tục với nâng suất nhập liệu : 5m3/h có nồng độ 8% mol acid axetic ,thu được sản
phẩm đỉnh có nồng độ 0.5% mol acid axetic với nồng độ dung dịch đáy acid axetic là
30%.
Em chân thành cảm ơn các quí thầy cô bộ môn Máy & Thiết Bị, các bạn sinh
viên đã giúp em hoàn thành đồ án này. Tuy nhiên, trong quá trình hoàn thành đồ án
không thể không có sai sót, em rất mong quí thầy cô góp ý, chỉ dẫn.

SVTH NGUYỄN BÁ DUY

2


ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị

GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ

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
acid axetic - nước sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm nước và một ít acid axetic , ngược lại
sản phẩm đáy chủ yếu gồm acid axetic 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 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 .
Vậy: đối với hệ acid axetic – Nước, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp
nhiệt gián tiếp bằng nồi đun ở áp suất thường.

SVTH NGUYỄN BÁ DUY

3


ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị

GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ

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 có chóp dạng tròn hay một dạng khác,có rãnh
xung quanh để pha khí đi qua va ống chảy chuyền có hình tron
* Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm bố trí các lỗ có đường kính 3-12mm được bố trí
trên các đỉnh tam giác,bước lổ bằng 2,5 đến 5 lần đường kính
•
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

Hiệu suất tương đối
cao.

thấp.

Hiệu suất
cao.

Hoạt động khá ổn định.
Làm việc với chất lỏng

Hoạt động ổn
định.

bẩn.
Nhược
điểm:

Hiệu suất
thấp
Thiết bị

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

nặng.
Độ ổn định
kém.

Cấu tạo phức
tạp.
Không làm
việc với chất lỏng
bẩn.
Trở lực lớn.

Nhận xét: tháp mâm xuyên lỗ là trạng thái trung gian giữa tháp chêm và tháp
mâm chóp. Nên ta chọn tháp chưng cất là tháp mâm xuyên lỗ.
Vậy: Chưng cất hệ acid axetic - Nước ta dùng tháp mâm xuyên lỗ hoạt động liên
tục ở áp suất thường, cấp nhiệt gián tiếp ở đáy tháp.

II . GIỚI THIỆU SƠ BỘ NGUYÊN LIỆU :
Nguyên liệu là hỗn hợp acid axetic - Nước.

1 . Acid acetic:
Axit acetic là chất lỏng không màu , có mùi thơm đặc trưng , vị chua . Khối
lượng riêng của axit acetic ở 20oC là 1,0498 kg/cm3 ,nhiệt độ sôi ở áp suất thường là

118oC , tan vô hạn trong nước.Dung dịch axít acetic 2-15% được dùng làm giấm. Nhân
dân ta thường làm giấm ăn bằng cách lên men nước mía, nước mật, chuối chín … Các
chất đường trong mía, chuối lên men thành rượu rồi thành giấm. Điều kiện thuận lợi
cho sự lên men giấm là nhiệt độ từ 25 đến 50oC và men giấm phải được tiếp xúc với
không khí.

SVTH NGUYỄN BÁ DUY

4


ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị

GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ

* Ứng dụng : Nó là nguyên liệu dùng để sản suất nhiều mặt hàng khác nhau và
được ứng dụng rộng rãi trong các ngành: công nghiệp nặng, y tế và dược, quốc phòng,
giao thông vận tải, dệt, chế biến gỗ và nông nghiệp.Từ đó ta có thể điều chế 1 số dược
phẩm, phẩm nhuộm, thuốc trừ cỏ, sợi nhân tao, chất dẻo, dung môi …

2 . Nước:
Trong điều kiện bình thường: nước là chất lỏng không màu, không mùi, không vị
nhưng khối nước dày sẽ có màu xanh nhạt.
Khi hóa rắn nó có thể tồn tại ở dạng 5 dạng tinh thể khác nhau:
Khối lượng phân tử
: 18
g / mol
Khối lượng riêng d40 c
: 1
g / ml

0
Nhiệt độ nóng chảy
: 0C
Nhiệt độ sôi
: 1000 C
Nước là hợp chất chiếm phần lớn trên trái đất (3/4 diện tích trái đất là nước biển)
và rất cần thiết cho sự sống.
Nước là dung môi phân cực mạnh, có khả năng hoà tan nhiều chất và là dung môi
rất quan trọng trong kỹ thuật hóa học.

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

0

5

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0

9.2

16.7

30.3

42.5

53

62.6

71.6

79.5

86.4

93

100

118.4

115.4

113.8

110.1

107.5

105.8

104.4

103.3

102.1

101.3

100.6

100

III. CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ ACID ACETIC – NƯỚC:
* Sơ đồ qui trình công nghệ chưng cất hệ Acid acetic – nước:
SVTH NGUYỄN BÁ DUY

5


ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị

GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ

Chú thích các kí hiệu trong qui trình:
1 . Bồn chứa nguyên liệu.
2 . Bơm.
3 . Bồn cao vị.
4 . Lưu lượng kế.
5 . Thiết bị trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy.
6 . Thiết bị gia nhiệt nhập liệu.
7 . Bẩy hơi.
8 . Tháp chưng cất.
9 . Nhiệt kế.
10 . Ap kế.
11 . Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh.
12 . Nồi đun.
13 . Bồn chứa sản phẩm đỉnh.
14 . Bồn chứa sản phẩm đáy.
15 . Bộ phận phân dòng.

* Thuyết minh qui trình công nghệ:

Hỗn hợp acid acetic – nước nhiệt độ khoảng 280C tại bình chứa nguyên liệu (1)
được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3). Từ đó được đưa đến thiết bị trao đổi nhiệt (5)
( trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy ). Sau đó, hỗn hợp được đun sôi đến nhiệt độ sôi
trong thiết bị gia nhiệt(6), hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất (8) 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
SVTH NGUYỄN BÁ DUY

6


ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị

GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ

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 . Hơi này đi vào
thiết bị ngưng tụ (11) và được ngưng tụ hoàn toàn. Một phần chất lỏng ngưng tụ được
trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu trong thiết bị (5) rồi vào bồn chứa sản phẩm đỉnh
(13). Phần còn lại của chất lỏng ngưng tụ đựơc hoàn lưu về tháp ở đĩa trên cùng với tỉ
số hoàn lưu tối ưu. Một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp được bốc hơi, còn lại cấu tử
có nhiệt độ sôi cao trong chất lỏng ngày càng tăng. Cuối cùng, ở đáy tháp ta thu được
hỗn hợp lỏng hầu hết là các cấu tử khó bay hơi acid acetic .
Dung dịch lỏng đáy đi ra khỏi tháp vào nồi đun (12). Trong nồi đun dung dịch
lỏng một phần sẽ bốc hơi cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại ra
khỏi nồi đun được đưa vào bồn chứa sản phẩm đáy .

CHƯƠNG II : CÂN BẰNG VẬT CHẤT .
I . CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU :

• Năng suất nhập liệu:
( x =x1*M1/(x1*M1+(1-x1)*M2)=0.92*18/(0.92*18+0.08*60)=0.775
1/ ρ tb = x /ρ n + (1 − x) / ρ a =0.775/995.6 +(1-0.775)/1039.6, ρ tb =1005.17kg/m3)
GF=QF* ρ tb =5*1005.17=5025.86(kg/h).
•
Nồng độ nhập liệu :
8% mol acid axetic (xF=0.92)
•
Nồng độ sản phẩm đỉnh : 0.5% mol acid axetic( xD=0.995)
• Nồng độ sản phẩm đáy :
30% mol acid axetic.(xW=0.7)
• Khối lượng phân tử của acid axetic và nước : MA =60 kg/kmol , MN =18
kg/kmol .
• Chọn :
+ Nhiệt độ nhập liệu : t’F =28oC .
+ Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội : t’D =35oC .
+ Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt : t’W = 35oC .
+Trạng thái nhập liệu là trạng thái lỏng sôi .
• Các kí hiệu :
+ GF , F : suất lượng nhập liệu tính theo Kg/h , Kmol/h .
+ GD , D : suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo Kg/h , Kmol/h .
+ GW ,W : suất lượng sản phẩm đáy tính theo Kg/h , Kmol/h .
+ xi , xi : phân mol , phân khối lượng của cấu tử i .

II . XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG SẢN PHẨM ĐỈNH VÀ SẢN
PHẨM ĐÁY :
• Cân bằng vật chất cho toàn tháp :

F=D+W
• Cân bằng cấu tử
:
F.x F = D.xD + W.xW
Với : Khối lượng phân tử trung bình dòng nhập liệu :
MF = 18.x F + (1 − x F ).60 = 21.36 (Kg/Kmol).
F=

(II.1)
(II.2)

GF
5025.86
=
=235.29 (Kmol/h)
MF
21.36

Khối lượng phân tử trung bình dòng sản phẩm đáy :
SVTH NGUYỄN BÁ DUY

7


ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị

GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ

MW = 18.xW + (1 − xW ).60 = 30.6 (Kg/Kmol).
Khối lượng phân tử trung bình dòng sản phẩm đỉnh :

MD = 18.x D + (1 − x D ).60 =18.21 (Kg/Kmol).
Giải 2 phương trình (II.1),(II.2)ta có :
D =175.47 (Kmol/h)
W = 59.819 (Kmol/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 .
Rmin=

x − y*
y* − x
D

F

F

F

=

0.995 − 0.945
=2
0.945 − 0.92

Tỉ số hoàn lưu thích hợp:RX=1.3Rmin+0.3=2.9

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

2,9
0,995
x
R.
.x +
.x + D =
2,9 + 1
2,9 + 1
R +1
R +1

=0,7436.x + 0.2551

2 . Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng :
y=

2,9 + 1.341
1.341 − 1
R+ f
f −1
.x +
.0.7
.x +
.xW =
2,9 + 1

2,9 + 1
R +1
R +1

= 1.087x + 0.0612
Với : f =

F 235.29
=
= 1.341 : chỉ số nhập liệu .
D 175.47

3 . Số mâm lý thuyết :
Đồ thị xác định số mâm lý thuyết

SVTH NGUYỄN BÁ DUY

8


ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị

GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ

số mâm lý thuyết là Nlt = 27mâm .20 mâm cất,6 mâm chưng,1 mâm nhập liệu

V . XÁC ĐỊNH SỐ MÂM THỰC TẾ:
Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình :
N tt =

N lt
η tb

(st2/170)

trong đó: ηtb : hiệu suất trung bình của đĩa, là một hàm số của độ bay hơi tương
đối và độ nhớt của hỗn hợp lỏng : η = f(α,µ).
Ntt : số mâm thực tế.
Nlt : số mâm lý thuyết.
• Xác định hiệu suất trung bình của tháp η tb :
+ Độ bay tương đối của cấu tử dễ bay hơi :

y* 1 − x
α=
1 − y* x

Với : x :phân mol của nước trong pha lỏng .
y* : phân mol của nước trong pha hơi cân bằng với pha lỏng.
Lgmhh =x1lgm1 + x2lgm2 ,tài liệu [4(tập 1) – trang 84]
* Tại vị trí nhập liệu :
xF = 0.92 ta tra đồ thị cân bằng của hệ : y*F = 0.945
tF = 100.52 oC
+ αF =

y* F 1 − x F
0.945 1 − 0.92
=
.
= 1.494
*

1 − 0.945 0.92
1− y F xF

+ tF = 100.52 oC , ma = 0.46.10-3 Ns/m2 ; mn=0.284.10-3 Ns/m2(t2/91,92)
mF =0.443.10-3 (N.s/m2) =0,443 (cP)
Suy ra : aF . mF = 1.494*0.443 =0.662
Tra tài liệu tham khảo [(tập 2) – trang 171] : hF = 0.55
* Tại vị trí mâm đáy :
SVTH NGUYỄN BÁ DUY

9


ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị

GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ

xW = 0.7 ta tra đồ thị cân bằng của hệ : y*W = 0.795
tW = 102.1 oC
+ αW =

y *W 1 − x W
0.795 1 − 0.7
=
.
= 1.662
*
1 − 0.795 0.7
1− y W xW

+ và tW =102.1oC,ma = 0.46.10-3 Ns/m2 ; mn=0.284.10-3 Ns/m2
mW =0.443.10-3 (N.s/m2) =0,443 (cP)
Suy ra : aW . mW = 1.662*0.443 = 0.736
Tra tài liệu tham khảo [4(tập 2) – trang 171] : hW = 0.53
*Tại vị trí mâm đỉnh :
xD = 0.995 ta tra đồ thị cân bằng của hệ : y*D = 0.997
tD = 100.22 oC
+ αD =

y* D 1 − x D
0.997 1 − 0.995
=
.
= 1.67
*
1 − 0.997 0.995
1− y D xD

+ tD = 100.22oC , ,ma = 0.46.10-3 Ns/m2 ; mn=0.284.10-3 Ns/m2
mD =0.443.10-3 (N.s/m2) =0,443 (cP)
Suy ra : aD . mD = 1.67*0.443 = 0.74
Tra tài liệu tham khảo [4(tập 2) – trang 171] : hD = 0.53
Suy ra: hiệu suất trung bình của tháp :
η + ηW + η D 0.53 + 0.53 + 0.55
=
= 0.537
htb = F
3

3

• Số mâm thực tế của tháp Ntt :
N tt =

27
=50.28 mâm
0.537

Vậy chọn Ntt = 50 mâm 37 mâm cất,12 mâm chưng 1 mam nhập liệu

SVTH NGUYỄN BÁ DUY

10


ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị

GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ

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

4Vtb
g tb
= 0,0188
π.3600.ω tb
( ρ y .ω y ) tb

(m)(t2 tr181)

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 tb =

g d + g1
(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) =175.47(2,9+1) = 684.333 (Kmol/h)
= 12404.22(Kg/h)
(Vì MthD =18.yD+(1-yD).60 = 18.126(Kg/Kmol).
• Xác định g1 : Từ hệ phương trình :
 g 1 = G1 + D

 g 1 . y1 = G1 .x1 + D.x D
 g .r = g .r
d d
 1 1

(III.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 = 100.52oC , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] ta có :
An nhiệt hoá hơi của nước : rN1 = 40512.96 (KJ/kmol) .
An nhiệt hoá hơi của acid : ra1 = 24195.24 (KJ/kmol) .
Suy ra : r1 = rN1.y1 + (1-y1).ra1 = 24195.24 + 16317.72y1 (KJ/kmol)
* Tính rd : tD = 100.22oC , tra tài liệu tham khảo IV (tập 1) ta có :
An nhiệt hoá hơi của nước : rNd = 40512.96 (KJ/kmol) .
An nhiệt hoá hơi của acid : rad = 24195.24(KJ/kmol) .
Suy ra : rd = rNd.yD + (1-yD).rad =40512.96*0.997 + (1- 0.997)*24195.24
= 40464 (KJ/kmol)
* x1 = xF = 0.92

SVTH NGUYỄN BÁ DUY

11


ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị

GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ

Giải hệ (III.1) , ta được :
G1 = 525.316 (Kmol/h)
y1 = 0.939 (phân mol ) _ M1 =20.1
g1 = 700.786 (Kmol/h) = 14085.799(Kg/h)

Vậy : gtb =

14085.799 + 12404.22
=13245.01(Kg/h)
2

b . Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp :
Tốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp với mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền :
ρ
ω gh = 0,05. xtb
ρ ytb
Với : rxtb : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (Kg/m3) .
rytb : khối lượng riêng trung bình của pha hơi (Kg/m3) .
• Xác định rytb :
ρ ytb =

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

y1 + y D 0.939 + 0.997
=
=0.968
2
2
100.52 + 100.22
t +t
+ Nhiệt độ trung bình đoạn cất : ttb = F D =
=100.37oC
2
2

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

Suy ra : rytb =0.631 (Kg/m3).
• Xác định rxtb :
Nồng độ phân mol trung bình : xtb =
Suy ra : xtb =

0.92 + 0995
xF + xD
=
= 0.4577
2
2

18.xtb
18.xtb + (1 − xtb ).60

ttb = 100.37oC , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)-trang 9], ta có :
ra=958kg/m3 rn =958 kg/m3
1/ ρ tb = x /ρ n + (1 − x) / ρ a
rxtb = 958 (Kg/m3)
Suy ra : ω gh = 0,05.

958
=1.948 (m/s)
0.631

Để tránh tạo bọt ta chọn tốc độ hơi trung bình đi trong tháp :
ω h = 0,8.ω gh = 0,8.1.948 = 1.559 (m/s)
Vậy :đường kính đoạn cất :
Dcất = 0,0188.

13245.01
=2.181 (m).
1.559 * 0.631

2. Đường kính đoạn chưng :
a . Lượng hơi trung bình đi trong tháp :
g , tb =

g , n + g ,1
(Kg/h)
2

g’n : lượng hơi ra khỏi đoạn chưng (Kg/h).
g’1 : lượng hơi đi vào đoạn chưng (Kg/h).
SVTH NGUYỄN BÁ DUY

12


ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị

GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ

• Xác định g’n : g’n = g1 =700.786 (Kmol/h) = 14085.799(Kg/h)
• Xác định g’1 : Từ hệ phương trình :
G '1 = g '1 + W
 '
'
G 1 .x '1 = g 1 . yW + W .xW

 g ' .r ' = g ' .r ' = g .r
n
n
1 1
 1 1

(III.2)

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 =0.7 tra đồ thị cân bằng của hệ ta có : yW =0.795
Suy ra :Mtbg’ =18.yW +(1-yW).60=26.61 (Kg/kmol)
t’1 = tW = 102.1oC , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], ta có :
An nhiệt hoá hơi của nước : r’N1 = 40512.96 (KJ/kmol) .
An nhiệt hoá hơi của rượu : r’R1 =24195.24 (KJ/kmol) .
Suy ra : r’1 = r’N1.yW + (1-yW).r’R1 = 37167.83 (KJ/kmol)
* Tính r1:
r1 = rN1.y1 + (1-y1).ra1 = 24195.24 + 16317.72y1 =39517.579(KJ/kmol)
* W = 59.819 (Kmol/h)
Giải hệ (III.2) , ta được :
x’1 =0.788_ MtbG’ =26.9
G’1 =804.91 (Kmol/h)
g’1 = 745.09 (Kmol/h) = 20042.921(Kg/h)
Vậy : g’tb =

20042.921 + 14085.799
=17064.36 (Kg/h)
2

b . Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp :

Tốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp với mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền :
ρ ' xtb
ω ' gh = 0,05.
ρ ' ytb
Với : r'xtb : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (Kg/m3) .
r'ytb : khối lượng riêng trung bình của pha hơi (Kg/m3) .
• Xác định r’ytb :
ρ ' ytb =

[ y'tb .18 + (1 − y'tb ).60].273
22,4.( t 'tb +273)

Với: + Nồng độ phân mol trung bình :
y’tb =

y1 + yW 0.939 + 0.795
=
=0.867
2
2

+ Nhiệt độ trung bình đoạn chưng :t’tb=
Suy ra : r’ytb =0.768 (Kg/m3).
• Xác định r’xtb :
Nồng độ phân mol trung bình : x’tb =
Suy ra : x'tb =

t F + tW 100.52 + 102.1
=
=101.31oC

2
2

0.92 + 0.7
x F + xW
=
=0.81
2
2

18.x'tb
=0.5612
18.x 'tb +(1 − x'tb ).60

t’tb = 101.31oC , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)-trang 9], ta có :
Khối lượng riêng của nước : r’N = 958(Kg/m3)
SVTH NGUYỄN BÁ DUY

13


ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị

GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ

Khối lượng riêng của rượu : r’a = 958(Kg/m3)
−1

 x'
1 − x'tb 

 =958 (Kg/m3)
Suy ra :r’xtb =  tb +
ρ ' N 
 ρ 'R
958
Suy ra : ω ' gh = 0,05.
=1.766 (m/s)
0,768

Để tránh tạo bọt ta chọn tốc độ hơi trung bình đi trong tháp :
ω ' h = 0,8.ω ' gh = 0.8*1.766= 1.413 (m/s)
Vậy :đường kính đoạn cất :
Dchưng= 0,0188.

17064.36
=2.36 (m).
0.768 * 1.413

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 = 2.2(m).
Khi đó tốc độ làm việc thực ở :
+ Phần cất : ωlv =

0,0188 2.g tb
Dt .ρ ytb

+ Phần chưng :ω’lv =

2

=

0,0188 2.13245.01
= 1.533(m/s).
2.2 2.0.631

0,0188 2.g 'tb
Dt .ρ ' ytb
2

=

0,0188 2.17064.36
= 1.623(m/s).
2.2 2.0,768

II . MÂM LỖ – TRỞ LỰC CỦA MÂM :
1 . Cấu tạo mâm lỗ :
Chọn : + Đường kính lỗ : dl = 8 (mm).
+ Tổng diện tích lỗ bằng 10% diện tích mâm.
+ Khoảng cách giữa hai tâm lỗ bằng 3 lần đường kính lỗ (bố trí lỗ theo tam giác
đều ).
+ Tỷ lệ bề dày mâm và đường kính lỗ là 6/10 .
+ Diện tích dành cho ống chảy chuyền là 20% diện tích mâm .
Số lỗ trên 1 mâm :
10%.S mâm
D
N=
= 0.1. t
S lo

 dl

2

2


 2.2 
 = 0.1.
 =7562.5 lỗ.
 0,008 


2 . Độ giảm áp của pha khí qua một mâm :
Độ giảm áp tổng cộng của pha khí (tính bằng mm.chất lỏng ) là tổng các độ giảm
áp của pha khí qua mâm khô và các độ giảm áp do pha lỏng :
htl = hk + hl + hR
(mm.chất lỏng)
Với : + hk :độ giảm áp qua mâm khô (mm.chất lỏng).
+ hl : độ giảm áp do chiều cao lớp chất lỏng trên mâm(mm.chất lỏng).
+hR : độ giảm áp do sức căng bề mặt (mm.chất lỏng).
Trong tháp mâm xuyên lỗ ,gradien chiều cao mực chất lỏng trên mâm ∆ là không
đáng kể nên có thể bỏ qua .
a . Độ giảm áp qua mâm khô :
Độ giảm áp của pha khí qua mâm khô được tính dựa trên cơ sở tổn thất áp suất
do dòng chảy đột thu , đột mở và do ma sát khi pha khí chuyển động qua lỗ.

SVTH NGUYỄN BÁ DUY

14

ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị
 vo 2
hk =  2
 Co

  ρG
.
  2.g .ρ
L


 uo 2

 = 51,0. 2
C

 o

GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
 ρG
.
 ρ (mm.chất lỏng)
 L

Với : + uo :vận tốc pha hơi qua lỗ (m/s).
+ rG : khối lượng riêng của pha hơi (Kg/m3).
+ rL : khối lượng riêng của pha lỏng (Kg/m3).
+ Co :hệ số orifice ,phụ thuộc vào tỷ số tổng diện tích lỗ với diện tích mâm và tỷ

số giữa bề dày mâm với đường kính lỗ.
∑ S lo =0.1và δ mâm =0,6 .Tra tài liệu tham khảo [1 – trang 111] : Co = 0,7
Ta có :
d lo

S mâm

• Đối với mâm ở phần cất :

ω lv 1.533
=
=15.33 (m/s).
10%
0.1
+ Khối lượng riêng của pha hơi : rG = ρytb = 0.631 (Kg/m3).
+ Khối lượng riêng của pha lỏng : rL = ρxtb = 958 (Kg/m3).
Suy ra độ giảm áp qua mâm khô ở phần cất :
 15.33 2  0.631
.
hk = 51.
=16.11(mm.chất lỏng).
2 
 0.7  958

+ Vận tốc pha hơi qua lỗ : uo =

• Đối với mâm ở phần chưng :

ω 'lv 1.623
=

=16.23 (m/s).
10%
0.1
+ Khối lượng riêng của pha hơi : r’G = ρ’ytb = 0.768 (Kg/m3).
+ Khối lượng riêng của pha lỏng : r’L = ρ’xtb = 958 (Kg/m3).
Suy ra độ giảm áp qua mâm khô ở phần chưng :
 16.23 2  0.768
.
h' k = 51.
= 21.98 (mm.chất lỏng).
2 
0
,
7

 958

+ Vận tốc pha hơi qua lỗ : u’o =

b . Độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm :
Phương pháp đơn giản để ước tính độ giảm áp của pha hơi qua mâm do lớp chất
lỏng trên mâm hl là từ chiều cao gờ chảy tràn hw , chiều cao tính toán của lớp chất lỏng
trên gờ chảy tràn how và hệ số hiệu chỉnh theo kinh nghiệm β :
hl = β.( hw + how ) , (mm.chất lỏng)
Chọn : + Hệ số hiệu chỉnh : β = 0,6
+ Chiều cao gờ chảy tràn : hw = 50 (mm)
Chiều cao tính toán của lớp chất lỏng trên gờ chảy tràn được tính từ phương trình
Francis với gờ chảy tràn phẳng :
q 
how = 43.4. L 

 Lw 

2

3

, (mm.chất lỏng)

Với : + qL : lưu lượng của chất lỏng (m3/ph).
+ Lw :chiều dài hiệu dụng của gờ chảy tràn (m).
• Xác định Lw :
Diện tích dành cho ống chảy chuyền là 20% diện tích mâm , nên ta có phương
trình sau :

SVTH NGUYỄN BÁ DUY

15


ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị

GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ

π .n o
− sin n o = 0,2.π
o
180
Với : no :góc ở tâm chắn bởi chiều dài đoạn Lw .
Dùng phương pháp lặp ta được : no = 93o12’22”
Suy ra : Lw = Dt . sin(no/2) = 1.6 (m).

• Xác định qL :
R.D.M tb 2.9.175.47.19.785
=
• Phần cất : q L =
= 0.175 (m3/ph).(T10/285)
60.ρ xtb
60.958

• Với: Mtb=0.9575*18+(1-.9575)*60=19.785
2

Suy ra : how

 0.175  3
= 43.4.
 = 9.926 (mm).
 1.6 

Vậy :Độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm ở phần cất là:
hl = 0.6.(50+9.926) = 35.956 (mm.chất lỏng).
• Phần chưng : q ' L =

(G

D

* R + G F ).M tb
60.ρ ' xtb

=

774.153 * 25.98
=0.336 (m3/ph).
60.958

• Với:Mtb=0.81*18+(1-0.81)*60=25.98
2

0.336  3
Suy ra : h' ow = 43.4.
 = 15.333 (mm).
 1.6 

Vậy :Độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm ở phần chưng :
h’l = 0.6.(50+15.333) = 39.2 (mm.chất lỏng).
c . Độ giảm áp do sức căng bề mặt :
Độ giảm áp do sức căng bề mặt được xác định theo biểu thức :
σ
hR = 625.54.
, (mm.chất lỏng)
ρ L .d l
Với : + σ : sức căng bề mặt của chất lỏng (dyn/cm).
+ ρL : khối lượng riêng của pha lỏng (Kg/m3).
• Phần cất :
* Khối lượng riêng của pha lỏng : rL = ρxtb = 958 (Kg/m3).
* ttb = 100.37oC ,tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], ta có :
+ Sức căng bề mặt của nước : σN = 58.9 (dyn/cm).
+ Sức căng bề mặt của acid : σa = 19.8 (dyn/cm).
Suy ra :Sức căng bề mặt của chất lỏng ở phần cất :
σ .σ

σ = N a = 14.819 (dyn/cm).
σ N +σa
Vậy : Độ giảm áp do sức căng bề mặt ở phần cất là :
hR = 625.54.

14.849.10 −3
= 1.212 (mm.chất lỏng).
958.0.008

• Phần chưng :
* Khối lượng riêng của pha lỏng : r’L = ρ’xtb = 958 (Kg/m3).
* t’tb = 101.31oC ,tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], ta có :
+ Sức căng bề mặt của nước : σ’N = 58.9 (dyn/cm).
+ Sức căng bề mặt của acid : σ’a = 19.8 (dyn/cm).
SVTH NGUYỄN BÁ DUY

16


ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị

GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ

Suy ra :Sức căng bề mặt của chất lỏng ở phần chưng :
σ ' .σ '
σ ' = N a = 14.819 (dyn/cm).
σ ' N +σ ' a
Vậy : Độ giảm áp do sức căng bề mặt ở phần chưng là :
14.849.10 −3
h' R = 625.54.

= 1.212 (mm.chất lỏng).
958.0.008

Tóm lại : Độ giảm áp tổng cộng của pha khí qua một mâm ở :
+ Phần cất : htl = 16.11+35.956+1.212 = 53.278 (mm.chất lỏng).
hay htl = 53.278 . 10-3 . 9.81 . 958 = 500.71 (N/m2).
+ Phần chưng : h’tl = 21.98+39.2+1.212 = 62.392 (mm.chất lỏng).
hay h’tl = 62.392 . 10-3 . 9.81 . 958 = 586.36 (N/m2).
Suy ra :Tổng trở lực của toàn tháp hay độ giảm áp tổng cộng của toàn tháp là :
(xem độ giảm áp tổng cộng của pha khí qua mâm nhập liệu bằng độ giảm áp tổng cộng
của pha khí qua một mâm ở phần chưng )
∑htl = 37. htl + 13. h’tl = 37 . 500.71+13 .586.36 =26148.95 (N/m2).

3 . Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động :

Chọn khoảng cách giữa hai mâm là hmâm =0.4 (m).
Bỏ qua sự tạo bọt trong ống chảy chuyền, chiều cao mực chất lỏng trong ống
chảy chuyền của mâm xuyên lỗ được xác định theo biểu thức :
hd = hw + how + htl + hd’
, (mm.chất lỏng)
Với : hd’ : tổn thất thuỷ lực do dòng lỏng chảy từ ống chảy chuyền vào mâm,
được xác định theo biểu thức sau :
 QL
hd ' = 0.128.
 100.S d





2

, (mm.chất lỏng)

trong đó : + QL : lưu lượng của chất lỏng (m3/h).
+ Sd : tiết diện giữa ống chảy chuyền và mâm, khi đó :
Sd = 0.8 . Smâm = 0.8 . π.1.12 =2.76 (m2)
• Phần cất : QL = 60.qL = 60 . 0.175 =10.5 (m3/h).
2

 10.5 
Suy ra : hd ' = 0.128.
 = 0.00018 (mm.chất lỏng).
 100.2.76 

Vậy : chiều cao mực chất lỏng trong ống chảy chuyền của mâm xuyên lỗ ở phần
cất :
hd =50+9.926+53.278+0.00018 =113.204 (mm.chất lỏng).
Kiểm tra : hd = 113.204 <

hmâm 400
=
= 200 (mm) : đảm bảo khi hoạt động các
2
2

mâm ở phần cất sẽ không bị ngập lụt.
• Phần chưng : Q’L = 60.q’L = 60 .0.336 = 20.16 (m3/h).
2

 20.16 
Suy ra : h' d ' = 0.128.
 = 0.00068 (mm.chất lỏng).
 100.2.76 

Vậy : chiều cao mực chất lỏng trong ống chảy chuyền của mâm xuyên lỗ ở phần
chưng :
h’d =50+15.333+62.392+0,00068 =127.726 (mm.chất lỏng).

SVTH NGUYỄN BÁ DUY

17


ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị

Kiểm tra : h’d = 127.726 <

GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
hmâm 400
=
= 200 (mm) : đảm bảo khi hoạt động các
2
2

mâm ở phần chưng sẽ không bị ngập lụt.
Vậy : khi hoạt động đảm bảo tháp sẽ không bị ngập lụt.
Chiều cao của thân tháp :Hthân =Ntt .(hmâm+δmâm ) + 0,8
=50.(0.4+0.0064) +0,8 =21.12(m).
Chiều cao của đáy và nắp : Hđ = Hn =ht +hgờ =0.55+0.025=0.575(m).

(Xem ở phần (III.2) : Đáy và Nắp thiết bị ).
Chiều cao của tháp : H = Hthân + Hđ + Hn = 21.695(m).

III . TÍNH TOÁN CƠ KHÍ CỦA THÁP :
1 . Bề dày thân tháp :
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 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 :
Ptt =Pcl + ∑htl
, (N/mm2)
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 :
ρ + ρ ' xtb
Pcl = ρx .g.H = xtb
.g.H=958. 9.81 . 21.695
2

2

=203889.18 (N/m ).
Suy ra : Ptt = 203889.18 + 26148.95 =230038.12 (N/m2) ~0.23(N/mm2).
• Nhiệt độ tính toán :
Chọn nhiệt độ tính toán : ttt = tđáy = 102.1oC .
Tra tài liệu tham khảo [5], ứng suất tiêu chuẩn đối với thép X18H10T :
[σ]* = 142 (N/mm2).(t22)

Đối với acid hệ số hiệu chỉnh : η = 1
Vậy : ứng suất cho phép : [σ] = η.[σ]* = 142 (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 = 0,95
[σ ] .ϕ = 142 .0.95
Xét tỷ số :
=586.52 > 25,do đó, bề dày tính toán của thân được
h
Ptt

0.23

tính theo công thức sau :
S 't =

Dt .Ptt
2200.0.23
=
=1.87 (mm).
2.[σ ].ϕ h 2.142.0,95

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 acid là 0,1 (mm/năm),thiết bị hoạt động trong 20
năm, do đó Ca = 2 mm.
SVTH NGUYỄN BÁ DUY

18


ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị

GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ

+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 =1 (mm).
Suy ra : C = 2 + 0 + 0 + 1 = 3 (mm).
Vậy : St = 1.87 + 3 = 4.87 (mm).
* Kiểm tra công thức tính toán với St = 4.87 (mm) :
S t − C a 4.87 − 2
=
= 0.0013< 0,1 : đúng.
Dt
2200

* Kiểm tra áp suất tính toán cho phép :
2.[σ ].ϕ h .( S t − C a ) 2.142.0.95.( 5.215 − 2 )

[ Ptt ] =

Dt + ( S t − C a )

=

2200 + ( 5.215 − 2 )

=0.394 > Ptt : đúng.

Vậy : Bề dày thực của thân là St = 4.87 (mm).
Chọn bề dày St=5mm

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 = 5(mm).
Các kích thước của đáy và nắp ellipise tiêu chuẩn, có gờ(tài liệu tham khảo [4(tập 2)]:
+ Đường kính trong: Dt = 2200 (mm).
+ ht =550(mm).
+ Chiều cao gờ: hgờ = h = 25 (mm).
+Diện tích bề mặt trong: Sđáy = 4.48 (m2).

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.

SVTH NGUYỄN BÁ DUY

19


ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị

GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ

Theo tài liệu tham khảo [4 (tập 2)- trang 423], ứng với Dt =2200(mm) và áp suất
tính toán Ptt = 0.23(N/mm2) ta chọn bích có các thông số sau :
D
Dt
Db
D1
Do
h
Bu
lông
Z
db
mm
(cái)
2200 2360 2300
2260
2215
40
27
56
Theo tài liệu tham khảo [4 (tập 2)- trang 170], chọn số mâm giữa hai mặt bích là10
mâm.Vậy, số bích ghép thân-đáy-nắp là 6 bích.
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: QF = 5 (m3/h).
Chọn vận tốc chất lỏng nhập liệu (tự chảy từ bồn cao vị vào mâm nhập liệu): vF =
0.2 (m/s).
Đường kính ống nhập liệu: dF =

4.QF
4.5
=
= 0.094 (m).
3600.π .v F
3600.π .0.2

Suy ra: chọn đường kính ống nhập liệu: dF = 0.1(m).
Tài liệu tham khảo [4 (tập 2)t434], chọn chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích:
lF = 120 (mm).
Các thông số của bích ghép ống dẫn nhập liệu:
SVTH NGUYỄN BÁ DUY

20


ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị

D

Dy

Dn

GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
Db

D1

h

Bu
db

lông

Z

mm

(cái)

100
205
108
170
148

14
16
4
b . Ong hơi ở đỉnh tháp:
Suất lượng hơi ở đỉnh tháp: gd = 12404.22 (Kg/h).
Khối lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp được tính theo công thức (xác định ở
tD = 100.220oC và yD = 0.997):

[18. y D + (1 − y D ).60].273
22.4.( t D + 273)

ρh =

= 0.592 (Kg/m3).
gd
= 20953.07 (m3/h).
ρh

Lưu lượng hơi ra khỏi tháp: Qh =

Chọn vận tốc hơi ở đỉnh tháp: vh = 30 (m/s).
4.Qh
=
3600.π .v h

Đường kính ống dẫn hơi: dh =

4.20953.07
= 0.247 (m).
3600.π .30

Suy ra: chọn đường kính ống dẫn hơi: dh = 0.25 (m).
Tài liệu tham khảo [4(tập 2)], chọn chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích: lh =
140 (mm).
Các thông số của bích ghép ống dẫn hơi ở đỉnh tháp:
Dy

Db

Dn

D

D1

Bu
lông
d

h

Z
(

b

(mm)

cái)
2

250

335

273

370

312

2

1

1

6

2

c . Ong hoàn lưu:
Suất lượng hoàn lưu: Ghl =D.MD.R=175.47 . 2.9.18.21 = 9266.3 (Kg/h).
Khối lượng riêng của chất lỏng hoàn lưu, tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] ở
tD = 100.22oC: ρhl = 958 (Kg/m3).
Lưu lượng chất lỏng hoàn lưu: Qhl =

Ghl
= 9.67 (m3/h).
ρ hl

Chọn vận tốc chất lỏng hoàn lưu (tự chảy từ bộ phận tách lỏng ngưng tụ vào
tháp): vhl = 0.4 (m/s).
Đường kính ống hoàn lưu: dhl =

4.Qhl
4.9.67
=
= 0.092 (m).
3600.π .vhl
3600.π .0.4

Suy ra: chọn đường kính ống hoàn lưu: dhl = 0.1 (m).
Tài liệu tham khảo [4 (tập 2)], chọn chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích: lhl =
120 (mm).
Các thông số của bích ghép ống dẫn hoàn lưu:
Dy

D

B
Dn

Db

D1

h

u

lông
d

b

SVTH NGUYỄN BÁ DUY

Z

21


ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị

GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ

m
m

(cái)

1
100
205
108
170
148
14
6

4
d . Ong dẫn hơi vào đáy tháp:
Suất lượng hơi vào đáy tháp: g’1 = 20042.921 (Kg/h).
Khối lượng riêng của hơi vào đáy tháp được tính theo công thức (xác định ở
tW = 102.1oC và yW = 0.795:
ρhd =

[18. yW + (1 − yW ).60].273
22,4.( tW + 273)

= 0.865 (Kg/m3).

Lưu lượng hơi vào tháp: Qhd =

g '1
= 23171 (m3/h).
ρ hd

Chọn vận tốc hơi vào đáy tháp: vhd = 30 (m/s).
Đường kính ống dẫn hơi: dhd =

4.Qhl
4.23171
=
= 0.256 (m).
3600.π .v hl
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

= 150 (mm).
Các thông số của bích ghép ống dẫn hơi vào đáy tháp:
Bu
Dy

Db

Dn

D

D1

h

lông
d
Z
(

b

(mm)

cái)
1

250

335

273

370

312

22

6

1
2

e . Ong dẫn chất lỏng ở đáy tháp:
Suất lượng chất lỏng vào nồi đun:
G’1 =804.91*26.9 =21652.08 (Kg/h).
Khối lượng riêng của chất lỏng chất lỏng vào nồi đun, tra tài liệu tham khảo
[4(tập 1)] ở tW = 102.1oC : ρL = 958 (Kg/m3).
Lưu lượng chất lỏng vào nồi đun: QL =

G '1
= 22.6 (m3/h).
ρL

Chọn vận tốc chất lỏng vào nồi đun (chất lỏng tự chảy vào nồi đun):
vL = 0.8 (m/s).
Đường kính ống dẫn chất lỏng: dL=

4.QL

4.22.6
=
=0.099(m).
3600.π .v L
3600.π .0.8

Suy ra: chọn đường kính ống dẫn: dL = 0.1 (m).
Tài liệu tham khảo [4 (tập 2)], chọn chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích: lL =
130 (mm).
Các thông số của bích ghép ống dẫn chất lỏng ở đáy tháp:
D
Dy
D
D h
B lông
D
n

b

1

u

d

Z

b

SVTH NGUYỄN BÁ DUY

22


ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị

GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
(cái)

m

m
100
205
108
170
148
14
16
4
f . Ong dẫn chất lỏng từ nồi đun (sản phẩm đáy):
Suất lượng sản phẩm đáy: GW = W.MW = 59.819*30.6=1830.46(Kg/h).
Khối lượng riêng của sản phẩm đáy, tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] ở
tW= 102.1oC : ρW = 958 (Kg/m3).
Lưu lượng sản phẩm đáy: QW =

GW
= 1.91 (m3/h).
ρW

Chọn vận tốc sản phẩm đáy (chất lỏng tự chảy): vW = 0.08 (m/s).
Đường kính ống dẫn sản phẩm đáy: dW=

4.QW
4.1.91
=
=0.091(m).
3600.π .vW
3600.π .0,08

Suy ra: chọn đường kính ống dẫn: dW = 0.1 (m).
Tài liệu tham khảo [4 (tập 2)], chọn chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích: lW =
100 (mm).
Các thông số của bích ghép ống dẫn sản phẩm đáy:
B

D

Dy

Dn

Db

D1

h

u

lông
d

b

Z

m
m

(cái)

1
100
205
108
170
148
14
6
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 = .( 2.36 2 − 2.2 2 )0.04.7900 = 51.08(Kg).
4

(

)

4

Khối lượng của một mâm: (thép X18H10T: ρX18H10T = 7900 (Kg/m3)).
π 2
π
m2 = .Dt .δ mâm .0.9.ρ X 18 H 10T = .2.22.0.0064.0.9.7900 =62.2(Kg).
4

4

Khối lượng của thân tháp:
π
π
m3 = .(D2ng –D2t).Hthân . ρX18H10T = .( 2.7 2 − 2.2 2 ).21.12.7900
4

4

= 21053.18 (Kg).
Khối lượng của đáy (nắp) tháp:
m4 = Sđáy .δđáy . ρX18H10T = 4.48 . 0.005 . 7900 = 86.96 (Kg).
Khối lượng của toàn tháp: m =2. 6.m1+50.m2+m3+2.m4=24647.72(Kg).
Suy ra trọng lượng của toàn tháp: P = m.g = 241794.13(N).
• Chân đỡ tháp:
Chọn chân đỡ: tháp được đỡ trên bốn chân. Tải trọng cho phép trên một chân: Gc

=P/4=241794.13/4 =6.0448.5.104 (N).
Để đảm bảo độ an toàn cho thiết bị, ta chọn: Gc = 6.104 (N).

SVTH NGUYỄN BÁ DUY

23


ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị

GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ

Truïc thieát bò

Theo ñaùy
thieát bò

Các kích thước của chân đỡ: (tính bằng mm)
L
300

B
240

B1
260

B2
370

H
450

H
226

s
18

L
110

d
34

• Tai treo:
Chọn tai treo: tai treo được gắn trên thân tháp để giữ cho tháp khỏi bị dao động
trong điều kiện ngoại cảnh. Ta chọn bốn tai treo, tải trọng cho phép trên một tai treo là
Gt = 6.045.104 (N).
Để đảm bảo độ an toàn cho thiết bị, ta chọn: Gt = 6.104 (N).
Chọn tấm lót tai treo khi ghép vào thân có kích thước sau:
+ Chiều dài tấm lót: H = 740 (mm).
+ Chiều rộng tấm lót: B = 550 (mm).
+Bề dày tấm lót là SH = 10 (mm).

Các kích thước của tai treo: (tính bằng mm)
L
230

B

200

SVTH NGUYỄN BÁ DUY

B1
205

H
350

S
12

l
100

a
25

d
34

24


ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị

GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ

CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ

TRUYỀN NHIỆT- THIẾT BỊ PHỤ.
I . CÁC THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT:
Cân bằng nhiệt lượng cho toàn tháp chưng cất:
QF + Qđ = QW + QD + Qnt + Qm
(IV.1)
Trong đó:
• Qnt : nhiệt lượng ngưng tụ hơi sản phẩm đỉnh ngưng tụ thành lỏng. Chọn hơi
sản phẩm đỉnh ngưng tụ hoàn toàn thành lỏng.
Qnt = D.(R+1).MD . rD
, (KJ/h).
Xác định rD (ẩn nhiệt hoá hơi của sản phẩm đỉnh):
Tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], ở tD = 100.22oC ta có:
An nhiệt hoá hơi của nước: rN = 2256.254 (KJ/kg).
An nhiệt hoá hơi của acid: ra = 406.042 (KJ/kg).
x D =0.995*18/(0.995*18+(1-0.995)*60)=0.984
Suy ra: rD = rN . x D +(1- x D ).ra = 2256.254*0.984+(1-0.984).406.042
= 2226.65 (KJ/kg).
Vậy: Qnt =175.47 .(2.9+1) . 18.21.2226.65=27747853.06 (KJ/h).
• QF : nhiệt lượng do hỗn hợp acid nhập liệu mang vào tháp(nhiệt lượng gia nhiệt
dòng nhập liệu đến trạng thái lỏng sôi).
QF = GF .HF =GF .cF .(tF –to )
(KJ/h).
o
Chọn nhiệt độ chuẩn: to = 20 C.
Ở( tF+to)/2=(100.52+20)/2=60.26 oC , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], ta có nhiệt
dung riêng của acid: ca =2207 (J/kg.độ).
Suy ra: cF = x F .4190 +(1- x F ).Ca
=0.775.4190+(1-0.775).2207 = 3743.825(J/kg.độ).
Vậy: QF =5025.86.3743.825.(100.52-20) = 1515059.514 (KJ/h).
• QW : nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra từ nồi đun.

QW = GW .HW =W .MW.cW .(tW –to )
,(KJ/h).
(tw+to)/2=(102.1+20)/2=61.05
Tra tập1 Ca=2207 (J/kg.độ)
Chọn nhiệt độ chuẩn: to = 20oC.
xW =0.7*18/(0.7*18+0.3*60)=0.412
cW = xW .4190+ (1- xW ).Ca=0.412*4190+(1-0.412).2207=3023.996 (J/kg.độ).
Vậy: QW =59.819*30.6.3023.996.(102.1-20)=454448.783(KJ/h).
• QD : nhiệt lượng do sản phẩm đỉnh mang ra từ bộ phận tách hoàn lưu.
QD = GD .HD =D.MD .cD .(tD –to )
,(KJ/h).
o
Chọn nhiệt độ chuẩn: to = 20 C.
Ở

t D + t o 100.22 + 20
=
= 60.11oC , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], ta có nhiệt
2
2

dung riêng của acid: ca =2207 (J/kg.độ).
Suy ra: cD = x D .4190 +(1- x D ).Ca
=0.984*4190+(1-0.984).2207 = 4158.27 (J/kg.độ).
Vậy: Từ (IV.1), ta được:
SVTH NGUYỄN BÁ DUY

25