Chưng cất ethanolnước mâm chóp

NHẬN XÉT ĐỒ ÁN
Cán bộ hướng dẫn nhận xét:
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
Điểm: ___________________

Chữ ký: __________________________________

Hội đồng bảo vệ nhận xét:
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
Điểm: _______________________ Chữ ký: _______________________________

2


MỤC LỤC
1.

Tổng quan ............................................................................................................................................ 5
1.1.

Lý thuyết về chưng cất ................................................................................................................. 5

1.1.1.

Phương pháp chưng cất ........................................................................................................ 5

1.1.2.

Thiết bò chưng cất ................................................................................................................. 5

1.1.3.

Quá trình và thiết bò ngưng tụ. ............................................................................................. 6

1.2.

Tổng quan về sản phẩm .............................................................................................................. 6

1.2.1.

Tính chất vật lý..................................................................................................................... 6

1.2.2.

Ứng dụng .............................................................................................................................. 7

1.2.3.

Phòng chống cháy nổ, ngộ độc etanol. ................................................................................ 7

2.

Quy trình chưng cất ........................................................................................................................... 8

3.

Cân bằng vật chất, năng lượng, số mâm thực tế. ........................................................................ 10
3.1.

Các thông số ban đầu ................................................................................................................ 10

3.2.

Suất lượng sản phẩm đỉnh và đáy ............................................................................................ 10

3.3.

Chỉ số hồi lưu ............................................................................................................................. 11

3.3.1.

Chỉ số hồi lưu cực tiểu ....................................................................................................... 11

3.3.2.

Chỉ số hồi lưu thực tế ......................................................................................................... 11

3.4.

3.4.1.

Xác đònh số mâm lý thuyết. ............................................................................................... 13

3.4.2.

Xác đònh số mâm thực tế. .................................................................................................. 14

3.5.

4.

Số mâm lý thuyết, số mâm thực tế. ........................................................................................... 13

Cân bằng năng lượng ................................................................................................................ 15

3.5.1.

Nhiệt trao đổi ở thiết bò ngưng tụ. ..................................................................................... 15

3.5.2.

Nhiệt trao đổi ở thiết bò gia nhiệt dòng nhập liệu............................................................. 15

3.5.3.

Nhiệt trao đổi ở thiết bò gia nhiệt nhập liệu bổ sung ........................................................ 16

3.5.4.

Nhiệt lượng cung cấp cho nồi đun hơi đáy tháp. ............................................................... 16

Tính thiết bò ngưng tụ. ..................................................................................................................... 17
4.1.

Truyền nhiệt trong thiết bò ngưng tụ ........................................................................................ 17

4.1.1.

Các thông số ban đầu. ........................................................................................................ 17

4.1.2.

Hệ số cấp nhiệt của hơi phía vỏ. ....................................................................................... 17

4.1.3.

Hệ số cấp nhiệt bên trong ống. .......................................................................................... 19

4.1.4.

Xác đònh tổng nhiệt trở của thành ống thép và nhiệt trở lớp cáu .................................... 19

4.1.5.

Xác đònh nhiệt độ ở vách. .................................................................................................. 20
3


4.1.6.

Xác đònh hệ số truyền nhiệt tổng quát. ............................................................................. 20

4.1.7.

Chênh lệch nhiệt độ trung bình. ........................................................................................ 20

4.1.8.

Diện tích bề mặt truyền nhiệt. ........................................................................................... 20

4.2.

4.2.1.

Bố trí ống trên mặt sàn. ..................................................................................................... 21

4.2.2.

Đường kính trong thiết bò. .................................................................................................. 21

4.2.3.

Tính bề dày thân thiết bò .................................................................................................... 22

4.2.4.

Cấu tạo đầu và đuôi thiết bò. ............................................................................................. 23

4.2.5.

Đường kính các cửa ra vào. ............................................................................................... 23

4.3.

5.

Kết cấu chính thiết bò ngưng tụ ................................................................................................ 21

Các chi tiết phụ của thiết bò ngưng tụ ...................................................................................... 25

4.3.1.

Kiểm tra ứng suất nhiệt của thiết bò. ................................................................................. 25

4.3.2.

Bích, đệm, bulông. ............................................................................................................. 26

4.3.3.

Vách ngăn phía vỏ. ............................................................................................................ 28

4.3.4.

Vỉ ống. ................................................................................................................................ 28

4.3.5.

Thanh giằng. ....................................................................................................................... 28

4.3.6.

Chân đỡ............................................................................................................................... 28

4.3.7.

Tính trở kháng thủy lực thiết bò. ........................................................................................ 30

Tính thiết bò phụ trong quy trình ................................................................................................... 32
5.1.

Bồn cao vò. .................................................................................................................................. 32

5.2.

Bơm nguyên liệu. ....................................................................................................................... 33

5.3.

Bơm sản phẩm đỉnh................................................................................................................... 34

5.4.

Thiết bò gia nhiệt nhập liệu. ...................................................................................................... 34

5.5.

Thiết bò gia nhiệt bổ sung. ......................................................................................................... 36

5.6.

Thiết bò làm nguội sản phẩm đỉnh. .......................................................................................... 37

6.

Tính giá thành thiết bò ..................................................................................................................... 38

7.

Kết luận, đánh giá ............................................................................................................................ 39
7.1.

Đặc tính kỹ thuật. ...................................................................................................................... 39

7.2.

Ưu, nhược điểm của thiết bò. ..................................................................................................... 39

TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................................................... 40

4


1.

Tổng quan

1.1.

Lý thuyết về chưng cất

1.1.1. Phương pháp chưng cất
Chưng cất là quá 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.
Phân loại các phương pháp chưng cất:
 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 bán liên tục.
Đối với hệ etanol - nước, sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm etanol và một ít nước ,
ngược lại sản phẩm đáy chủ yếu gồm nước và một ít etanol.
Đối với hỗn hợp đẳng phí hay có nhiệt độ sôi gần nhau, dung dòch loãng,… không
thể tách bằng phương pháp chưng thông thường. Khi đó, người ta tiến hành bằng một
trong những phương pháp sau: chưng chân không, chưng đẳng phí, chưng muối, chưng
trích ly, …
1.1.2. Thiết bò chưng cất
Tháp chưng cất rất phong phú về cấu tạo và kích cỡ, các tháp lớn nhất thường

được ứng dụng trong công nghiệp lọc hoá dầu. Kích thước của tháp tháp tuỳ thuộc
suất lượng pha lỏng, pha khí của tháp và độ tinh khiết của sản phẩm. Ta khảo sát hai
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 đóa, ta có:
- Tháp mâm chóp : trên mâm bố trí có chép dạng:tròn, xubap ,chữ s…
- Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm bố trí các lỗ có đường kính (3-12) mm.
 Tháp chêm: 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.
5


1.1.3. Quá trình và thiết bò ngưng tụ.
Quá trình ngưng tụ là quá trình một hơi (hay hỗn hợp hơi) chuyển pha thành dạng
lỏng tại một điều kiện nhất đònh.
Tùy theo tính chất và điều kiện làm việc của hơi ngưng cũng như phụ thuộc vào
chất tải ẩn nhiệt ngưng tụ (dòng lạnh) mà thiết bò ngưng tụ có cấu tạo rất đa dạng,
trong đó chủ yếu thuộc những dạng sau:
 Phân loại theo chất làm lạnh: TBNT bằng nước, TBNT bằng không khí.
 Phân loại theo áp suất ngưng tụ: TBNT ở áp suất chân không, TBNT ở áp
suất thường, TBNT ở áp suất cao.
 Phân loại theo khả năng tiếp xúc của hai lưu chất: kiểu gián tiếp (kiểu bề
mặt), kiểu trực tiếp.
Trường hợp nhiệt độ yêu cầu sau khi ngưng tụ thấp hơn nhiệt độ ngoài trời thì chất
làm lạnh phải có nhiệt độ khá thấp. Khi đó phải dùng đến máy lạnh (dùng loại hệ
thống lạnh trực tiếp hay gián tiếp qua chất tải lạnh).
1.2. Tổng quan về sản phẩm
1.2.1. Tính chất vật lý

Etanol có công thức phân tử: CH3-CH2-OH, khối lượng phân tử: 46 đvC.
Là chất lỏng không màu, trong suốt, có mùi thơm đặc trưng, vò cay, nhẹ hơn nước,
dễ bay hơi, tan vô hạn trong nước, tan tốt trong ete và clorofom, hút ẩm, dễ cháy, khi
cháy không tạo khói và có ngọn lửa màu xanh da trời.
Một số thông số vật lý và nhiệt động của etanol:
+ Nhiệt độ sôi ở 760mmHg: 78.3oC.
+ Nhiệt độ nóng chảy: -1140C
+ Nhiệt dung riêng của lỏng: 114 J/mol.K
+ Nhiệt dung riêng của khí: 78 J/mol.K
+ Khối lượng riêng: d420 = 810 (Kg/m3).
Etanol tạo với nước một hỗn hợp đẳng phí ở 89.4% etanol, hỗn hợp sôi ở 78.150C.

6


1.2.2. Ứng dụng
Etanol có nhiều ứng dụng hơn metanol, nó đóng một vai trò quan trọng trong nền
kinh tế quốc dân. Nó là nguyên liệu dùng để sản suất hơn 150 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.
1.2.3. Phòng chống cháy nổ, ngộ độc etanol.
- Hỗn hợp etanol và nước với trên 50% etanol là chất dễ cháy và dễ bắt lửa
- Etanol trong cơ thể người được chuyển hóa thành axetaldehyde do enzyme
alcohol dehydrogenas. Axetaldehyde là một chất có độc tính cao, là nguyên nhân
gây ra các bệnh xơ gan, ung thư do chứng nghiện rượu,
- Mặc dù etanol không phải là chất có độc tính cao, nhưng có thể gây ra tử vong
khi nồng độ cồn trong máu đạt 0.4%. Khi nồng độ đạt khoảng 0.1% có thể dẫn
tới tình trạng say, 0.3–0.4% gây nên tình trạng hôn mê.
- Người ta cũng đã tìm thấy mối liên quan tỉ lệ thuận giữa etanol và sự phát triển
của Acinetobacter baumannii, vi khuẩn gây viêm phổi, viêm màng não và các

viêm nhiễm hệ bài tiết.
- Trong rượu trắng (rượu được chưng cất từ dòch lên men), ngoài thành phần chính
là etanol còn chứa một lượng đáng kể metanol, isobutanol, furfurol,
acetaldehyde,… là những chất độc nguy hiểm.

7


2.

Quy trình chöng caát

8


* Thuyết minh qui trình công nghệ:
Hỗn hợp etanol – nước có nồng độ etanol 300GL (phần trăm thể tích), nhiệt độ
khoảng 280C tại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm lên bồn cao vò (4). Từ
đó được đưa đến thiết bò trao đổi nhiệt (5) (trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy ). Sau
khi được đun nóng tới gần trạng thái lỏng sôi bằng thiết bò gia nhiệt bổ sung (6), hỗn
hợp được đưa vào tháp chưng cất (7) ở đóa nhập liệu.
Trên đóa 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 càng xuống dưới càng
giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì đã bò pha hơi tạo nên từ nồi đun (13) lôi cuốn
cấu tử dễ bay hơi. Nhiệt độ càng lên trên càng thấp, nên khi hơi đi qua các đóa 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 nồng độ cấu tử etanol cao nhất. Hơi này đi vào thiết bò
ngưng tụ (9) và được ngưng tụ hoàn toàn. Một phần chất lỏng ngưng tụ đi qua thiết
bò làm nguội sản phẩm đỉnh (11), được làm nguội đến 350C , rồi được đưa qua bồn

chứa sản phẩm đỉnh (12). Phần còn lại của chất lỏng ngưng tụ đựơc hoàn lưu về tháp
ở đóa trên cùng với tỉ số hoàn lưu tối ưu. Ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng hầu
hết là nước. Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độ etanol là 0,14 % phân mol, còn lại là
nước. Dung dòch lỏng đáy đi ra khỏi tháp vào nồi đun (13). Trong nồi đun dung dòch
lỏng một phần sẽ bốc hơi cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại ra
khỏi nồi đun được trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu trong thiết bò gia nhiệt (5) .
Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là etanol, sản phẩm đáy sau khi
trao đổi nhiệt với nhập liệu có nhiệt độ là 350C được đem đi xử lý.

9


3.

Cân bằng vật chất, năng lượng, số mâm thực tế.

3.1.

Các thông số ban đầu

 Năng suất nhập liệu : GF = 1500 (lít/h) .
 Nồng độ nhập liệu : xF = 300GL
 Nồng độ sản phẩm đỉnh : xD = 900GL
 Tỷ lệ thu hồi etanol : η = 99%.
 Khối lượng phân tử của rượu và nước : MR =46 , MN =18 .
Chọn :
+ Nhiệt độ nhập liệu : tF =25oC .
+ Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội : tD =35oC .
+ Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt : tW = 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.
3.2.

Suất lượng sản phẩm đỉnh và đáy

Ở 250C: ρR = 0.785 kg/l ; ρN = 0.997 kg/l
F = 1500.

0,3.0, 785
(1  0,3).0,997
+ 1500
= 65,8 (kmol/h)
46
18

0,3.0, 785
46
xF =
.100% = 11,66%
0,3.0,785 0,7.0,997

46
18

Ở 790C: ρR = 0.737 kg/l ; ρN = 0.973 kg/l
0,9.0, 737

46
xD =
.100% = 72,73%
0,9.0, 737 0,1.0,973

46
18

D=

0,99.65,8.0,1166
.F .x F
=
= 10,4 kmol/h
xD
0,7273

10


Cân bằng vật chất cho toàn tháp: F = D + W
 W = F – D = 65,8 – 10,4 = 55,4 (kmol/h)
xW =

0,01.65,8.0,1166
(1  ).F .xF
.100%=
.100% = 0,14%
55,4
W

Bảng 1:
Thông số
Dòng

𝑘𝑔
ℎ

𝑘𝑚𝑜𝑙
ℎ

%
klượng

% mol

Mtb
kg/kmol

ts ( 0C)

CP ở ts
kJ/kg.K

Nhập liệu

1400

65,8

25,23

11,66

21,26

86

3,99

S.phẩm đỉnh

400

10,4

87,2

72,73

38,36

78,9

3,33

S.phẩm đáy

997

55,4

0,36

0,14

18,03

99,7

4,22

3.3. Chỉ số hồi lưu
3.3.1. Chỉ số hồi lưu cực tiểu
Do xD = 72,73% là nhỏ nên ta không thể vẽ được đường tiếp tuyến qua điểm lõm để
xác đònh Rmin theo phương trình:
Chỉ số hồi lưu tối thiểu: Rmin

y0 =

xD
R min  1

xD  yF'
 '
yF  xF

xF = 11,66% => y’F = 46%
 Rmin = 0,778
3.3.2. Chỉ số hồi lưu thực tế

Khi R tăng, số mâm sẽ giảm nhưng đường kính tháp, thiết bò ngưng tụ, nồi đun và
công để bơm cũng tăng theo. Chi phí cố đònh 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 đònh và chi phí điều hành. Tỉ số hoàn lưu thích
hợp ứng với tổng chi phí là cực tiểu. Tuy nhiên, các chi phí điều hành rất phức tạp,
khó xác đònh được nên ta có thể tính tỉ số hoàn lưu thích hợp từ điều kiện tháp nhỏ
nhất.

11


Để tính được tỉ số hoàn lưu thích hợp theo điều kiện thể tích 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.
Tiết diện tháp tỉ lệ với lượng hơi đi trong tháp, mà lượng hơi lại tỉ lệ với lượng
lỏng hồi lưu trong tháp. Trong điều kiện làm việc nhất đònh thì D sẽ không đổi, lượng
lỏng hồi lưu L=R.D sẽ tỉ lệ với R ,do đó, tiết diện tháp sẽ tỉ lệ với R.
Ngoài ra ,chiều cao tháp tỉ lệ với số đơn vò chuyển khối mox hay số mâm lý thuyết
Nlt . Như vậy, ta có thể thiết lập quan hệ giữa R và Vtháp theo quan hệ R và Nlt*R
Cho R = a.Rmin ta thu được bảng sau:
a

R

Nlt

Nlt*R

1.1

0.8558

15

12.837

1.3

1.0114

12

12.1368

1.5

1.167

11

12.837

1.7

1.3226

10

13.226

2

1.556

9

14.004

2.5

1.945

9

17.505

tỉ số hồi lưu
18
17
16

Nlt*R

15
14
13
12
11
10

0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

1

1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9

R

Dựa vào đồ thò ta có, tỉ số hồi lưu tối ưu là: 1.0
12

2


3.4.

Số mâm lý thuyết, số mâm thực tế.

3.4.1. Xác đònh số mâm lý thuyết.
Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất :
y=

x
R
.x  D = 0,503.x + 36,15
R 1
R 1

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

R f
f 1
.x 
.xW = 3,636.x – 0,369
R 1
R 1

Với R = 1,01
f=

65,8
F
=
= 6,3
10, 4
D

Dựng đường làm việc của tháp bao gồm đường làm việc của phần cất và phần
chưng. Trên đồ thò y-x ta vẽ các đường bậc thang từ đó xác đònh được số mâm lý
thuyết là: 12 mâm.

100
95
y = 7E-05x3 - 0.0091x2 + 0.8086x + 38.779
y = 0.0004x3 - 0.042x2 + 1.8617x + 29.44

90
85

y = 0.5028x + 36.159
y = 3.6356x - 0.369

y = -0.444x2 + 8.86x

80
75
70
65
60
55

y

50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

x

13

55

60

65

70

75

80

85

90

95 100


3.4.2. Xác đònh số mâm thực tế.
Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình: N tt 

N lt
η tb

Trong đó: ηtb là hiệu suất trung bình của đóa, là một hàm số của độ bay hơi tương đối
và độ nhớt của hỗn hợp lỏng: η = f(α,µ)
y* 1  x
Độ bay tương đối của cấu tử dễ bay hơi : α 
1  y* x
Với : x :phân mol của rượu trong pha lỏng .
y* : phân mol của rượu trong pha hơi cân bằng với pha lỏng.
 Tại vò trí nhập liệu:
xF = 11,66% ta tra đồ thò cân bằng của hệ : y*F = 46,0%
tF = 86,0oC
y*F 1  x F
0, 46 1  0,1166

.

+ αF 
= 6,45
*
1 y F xF
1  0, 46 0,1166

+ Từ x F  25, 23% và tF = 86,0oC
Dùng toán đồ 1.28, sổ tay QTTB tập 1 => F = 45.10-6.9,81 (N.s/m2) = 0,44 (cP)
 F .F = 6,45.0,44 =2,84
Tra sổ tay QTTB (tập 2 – trang 171) : F = 37,5%
 Tại vò trí mâm đáy:
xW = 0,14% ta tra đồ thò cân bằng của hệ : y*W = 1,23%
tW = 99,7 oC
+ αW 

y*W 1  xW
0, 0123 1  0, 0014
= 8,88

.
*
1  y W xW
1  0, 0123 0, 0014

+ xW  0, 36% và tW = 99,7oC => W = N = 0,284.10-3 (N.s/m2) = 0,284 (cP)
 W .W = 8,88.0,284 = 2,52 => W = 39%
 Tại vò trí mâm đỉnh:
xD = 72,73% ta tra đồ thò cân bằng của hệ : y*D = 76,9%
tD = 78,9oC
+ αD 

y*D 1  x D
0, 769 1  0, 7273

.
= 1,25
*
1 y D xD
1  0,769 0,7273

+ x D  87, 2% và tD = 78,9oC => D = 54.9,81.10-6 (N.s/m2) = 0,530 (cP)
 D .D = 1,25.0,53 = 0,66 => D = 54%
Vậy hiệu suất trung bình của tháp:
  W  D 37,5  39  54

tb = F
= 43,5%
3
3
N
12
Số mâm thực tế của tháp: N tt  lt 
= 28 (mâm)
ηtb 0, 435
14


3.5. Cân bằng năng lượng
3.5.1. Nhiệt trao đổi ở thiết bò ngưng tụ.
QNT =(R+1)D.rD

Với: tD = 78,90C => rR = 848,2 kJ/kg

rN = 2312,42 kJ/kg

 rD = xD.MR.rR + (1-xD).MN.rN = 0,7273.46.848,2 + (1 – 0,7273).18.2312,42
= 39727,95 (kJ/kmol)
QNT = 826342 kJ/h = 230 kW
3.5.2. Nhiệt trao đổi ở thiết bò gia nhiệt dòng nhập liệu.
Q1 =F.CF .(t’F - tF) + Qth = W.CN.(tW – t’W)
Qth = 0.05.W.CN.(tW – t’W)

là nhiệt tổn thất

W = 55,4 kmol/h ; F = 65,8 kmol/h
tW = 350C; tWs = 99,70C
 ttb = 67,350C => CN = 4,18 kJ/kg.K = 75,24 kJ/kmol.K
CR ~ 2,84 kJ/kg.K
CN ~ 4,18 kJ/kg.K
 CF = xF.MR.CR +(1–xF).MN.CN = 0,1166.46.2,84 + (1-0,1166).18.4,18
= 81,7 kJ/kmol.K
tF = 250C
 Q1 = 256204 kJ/h = 71,2 kW
t’F = 72,70C

15


3.5.3. Nhiệt trao đổi ở thiết bò gia nhiệt nhập liệu bổ sung
Q2 = F.CF.(tFs – t’F) = GN.rN
Với tFtb =

86  72, 7
= 79,350C
2

CR = 3,21 kJ/kg.K

CN = 4,19kJ/kg.K

 CF = xF.MR.CR + (1-xF).MN.CN = 83,8 kJ/kmol.K
Q2 = 73337 kJ/h = 20,4 kW
rN = 2264 kJ/kg
 GN = 32,4 kg/h
3.5.4. Nhiệt lượng cung cấp cho nồi đun hơi đáy tháp.
Qđ = QNT + QD + QW – QF + Qxq
 0,95.Qđ = QNT + D.CDs.tDs + W.CWs.tWs – F.CFs.tFs
Với:

Qđ : nhiệt do hơi quá nhiệt cung cấp ở nồi đun.
QD : nhiệt do sản phẩm đỉnh lỏng sôi đi ra từ thiết bò ngưng tụ.
QNT : nhiệt trao đổi ở thiết bò ngưng tụ.
QW : nhiệt do sản phẩm đáy mang đi khỏi nồi đun.
QF : nhiệt do dòng nhập liệu lỏng sôi mang vào tháp.
Qxq = 0,05Qđ : nhiệt tổn thất ra ngoài môi trường xung quanh.

QNT = 826342 kJ/h
 0,95.Qđ = 826342 + 10,4.3,33.38,36.(273 + 78,9) + 55,4.4,22.18,03.(273 + 99,7)
- 65,8.3,99.21,26.(273 + 86) = 861030 kJ/h
 Qđ = 251,8 kW

16


4.

Tính thiết bò ngưng tụ.

4.1. Truyền nhiệt trong thiết bò ngưng tụ
4.1.1. Các thông số ban đầu.
Dòng nước lạnh đi trong ống với nhiệt độ đầu vào 300C, nhiệt độ đầu ra 400C.
Dòng hơi trên đỉnh có nhiệt độ 78,90C.
Chọn thiết bò ngưng tụ loại vỏ bọc chùm ống, đặt nằm ngang. Có 1 chặng phía vỏ, 2
chặng phía ống.
ng truyền nhiệt là ống inox 304 có:
 Đường kính ngoài dng = 20mm
 Đường kính trong dtr = 16mm
 Chiều dày ống = 2mm
Vỏ thiết bò làm từ thép CT3.
4.1.2. Hệ số cấp nhiệt của hơi phía vỏ.
Do kết cấu thiết bò là loại ống chùm đặt nằm ngang nên α1 được xác đònh theo công
thức 1.110 [3]

r.3 .2
1  0, 725.
.tb
.t.d
4

Với:
r - ẩn nhiệt ngưng tụ, lấy ở tngưng = 78,90C

λ, µ, ρ - lấy ở nhiệt độ trung bình của màng ngưng tụ, tm 
Nồng độ phần khối lượng của sản phẩm đỉnh,

x

= 87,2%

Nồng độ phần mol của sản phẩm đỉnh, x = 72,73%
d - đường kính ngoài của ống = 20 mm
Δt – hiệu số nhiệt độ = tngưng - tw1
λhh - nội suy từ bảng I.130 [1]

tb = 0,62 (tra đồ thò hình 1.21 [3] )

17

tngung  tw1
2


Thông số

Công thức

rhh , kJ/kg

rhh = x .rR + (1 - x ).rN

ρhh , kg/m3

1
x 1 x
 
hh R N

µhh , N.s/m2

log(µhh) = x.log(µR) + (1 - x).log(µN)

rR = 848242 J/kg;

rN = 2312420 J/kg

 rhh = 1035657 J/kg
ρhh = 769 kg/m3
µhh = 0,00048 N.s/m2
Vậy α1 = f(tw1)
Ta tìm ra quan hệ giữa α1 và tw1 như đồ thò sau:

α1 = f(tw1)

2600

2425.443103
2400
y = 0.00859x4 - 2.09099x3 + 191.44788x2 - 7,783.70638x + 119,715.67089
R² = 1.00000
2200

1939.247885

2000

1800

1705.156595
1552.340118

1600
1438.789482
1400

1200
50

55

60

65

70

75

4
3
2
α1  0,00859.tw1  2,091.tw1  191,448.tw1  7783,7.tw1  119715,67

18

80


4.1.3. Hệ số cấp nhiệt bên trong ống.
Nhiệt độ trung bình của nước đi trong ống t2 =

30  40
= 350C
2

Đường kính trong của ống truyền nhiệt, dtr = 16 mm
Thông số vật lý của nước ở 350C
Thông số

µ [Pa.s]

ρ [kg/m3]

λ [W/m.K]

Pr

Giá trò

730.5.10-6

994

0,626

4,86

Dòng nước chảy trong ống có vận tốc khoảng w = 0,5 m/s
Re =

wdtr  0,5.0,016.994
= 10885 > 104 vậy lỏng trong ống ở chế độ chảy rối.

6

730,5.10

Nu = 0,021.l .Re .Pr
0,8

l

0,43

 Pr 
.

 Prw 

0,25

=1

Giả sử tw2 = 480C => Prw = 3,69
 Nu = 0,021.l .Re .Pr
0,8

 2 

0,43

 Pr 


 Prw 

0,25

 4,86 
 0,021.10886 .4,86 . 

 3,69 
0,8

0,25

0,43

= 75,3

Nu. 75,3.0,626
 W 


= 2946,1  2 
d
0,016
m K 

4.1.4. Xác đònh tổng nhiệt trở của thành ống thép và nhiệt trở lớp cáu .

rn  rcau1 


1
0,002
1
 rcau 2 


= 5,6.10-4
w
5800 46,5 2900

 m2 K 


 W 

Ta lấy hệ số dẫn nhiệt của lớp cáu phía ngoài và phía trong vỏ ống lần lượt là 5800
và 2900 W/m2.K , hệ số dẫn nhiệt của thép là 46,5 W/ m2.K

19

4.1.5. Xác đònh nhiệt độ ở vách.
Nhiệt tải riêng: q  1 (tngung  tw1 ) 

1
(tw1  tw2 )  2 (tw2  t2 )
rn

m2 K
rn = 5,6.10
W
W
α2 = 2946,1 2
-4

m K

4
3
2
α1  0,00859.tw1  2,091.tw1  191, 448.tw1  7783,7.tw1  119715,67

tngung = 78,90C ; t2 = 350C
0
tw1  60,9 C
 
0
tw2  47,9 C

 α1 = 1604,4

W
m2 K

4.1.6. Xác đònh hệ số truyền nhiệt tổng quát.

k

1
1
1
 rn 
1
2



1
1
1
 5,6.104 
1604, 4
2946,1

 656,7 W
m2 K

4.1.7. Chênh lệch nhiệt độ trung bình.
R

T2
 0  12  1
T1

tlog 

(tnt  tV )  (tnt  tR )
40  30

 43,70 C
(t  t )
78,9  30
ln
ln nt V
78,9  40
(tnt  tR )

4.1.8. Diện tích bề mặt truyền nhiệt.
QNT = 826342 kJ/h = 230 kW

F

Q
230000

 8,01(m2 )
k.t 656,7.43,7

20

4.2. Kết cấu chính thiết bò ngưng tụ
4.2.1. Bố trí ống trên mặt sàn.
Chọn cách bố trí ống theo hình lục giác đều, trong đó
dãy ống ở đường chéo chính được tháo bỏ (như hình).
Gọi:
 n: tổng số ống trên mặt sàn.
 a: số ống trên cạnh lục giác đều ngoài cùng.
 b: số ống trên đường chéo lớn nhất của lục giác
Chọn chiều dài ống truyền nhiệt: L = 1,5m
Chọn bước ống theo bảng 8-4 [5] : t = 1,3.dn = 26 mm
Số ống truyền nhiệt được tính sơ bộ theo công thức:

n

F
8,01

= 94,5 (ống)
L..dtd 1,5..0,018

Ta có: n = 0,75.(b2 -1) +1 – (b + 4)
Vậy chọn b = 13 ống
Số ống thiết kế: n = 110 ống
4.2.2. Đường kính trong thiết bò.
Đường kính trong của thiết bò:
Dtr = t.(b – 1) + 4.dn = 26.12 + 4.20 = 392 (mm)
Chọn đường kính trong thân trụ theo bảng XIII.6 [2] là 400mm
Vậy cấu tạo thiết bò truyền nhiệt được thiết kế như sau:
 ng truyền nhiệt là ống inox 304 kích cỡ 20x2mm.

 Bước ống 26mm ; chiều dài ống 1,5m
 Có tổng cộng là 110 ống, sắp xếp theo hình lục giác đều.
 1 pass phía vỏ, 2 pass phía ống
 Đường kính trong của thiết bò là 400 mm
 Vỏ thân trụ làm bằng inox 304
 Đáy (nắp) và các mặt bích làm bằng thép CT3
21


4.2.3. Tính bề dày thân thiết bò
Do khi ngưng tụ áp suất giảm nên thân thiết bò chòu áp suất ngoài.
Bề dày tối thiểu của thân trụ, công thức 5.14 [5].

P L
S '  1,18D  nt . 
 E D

0,4

Trong đó:
 D = Dt = 400mm
 Pn = 1atm = 0,1 N/mm2 là áp suất ngoài.
 Et = 2,1.105 N/mm2 là môđun đàn hồi của vật liệu
Tra bảng 2-12 [5].
 L = 1,5m = 1500mm là khoảng cách giữa 2 mặt bích.
 S’= 2,34 mm
Bề dày thực của thân:

S = S’ + C
C = Ca + C b + C c + C o

Chọn:
 Ca = 1mm là hệ số bổ sung do ăn mòn hóa học của môi trường.
 Cb = 0 (do w < 20m/s) là hệ số bổ sung do bào mòn cơ học của môi trường.
 Cc = 0 là hệ số bổ sung do sai lệch khi chế tạo, lắp ráp.
 Co là hệ số để quy tròn kích thước.
 S = 2,34 + 1 + 0,66 = 4mm
Kiểm tra bề dày: công thức 5-15 và 5-16 [5]

2(S  Ca ) L
Dt


1,5
Dt
Dt
2(S Ca )
0,1856  3,8265  8,0829



3/2
3,8265  0, 482
E t  2(S  Ca ) 
L

0,3

t 
D

c 
Dt

 t
t
Với: c là giới hạn chảy của vật liệu.

tc  240 N/mm2
 S nghiệm thỏa hai phương trình trên.
Kiểm tra áp suất: công thức 5-19 [5].
2

D  S  Ca  S  Ca
[ Pn ]  0,649.E t 
 Pn  0,173  0,1
 .
L  Dt 
Dt
t

 Thỏa điều kiện.
Vậy đường kính ngoài của thân: Dn = Dt + 2.S = 400 + 8 = 408mm

22


4.2.4. Cấu tạo đầu và đuôi thiết bò.
Chọn đầu - đuôi có dạng elip , nối với thân bằng bulông.
 Chọn bề dày Sđ = 4mm
 Chiều dài đoạn khum bên trong: ht = 0,25Dt = 100mm

Tỉ số bán kính cong ở mặt trong.
Dt2 4002
Rt 

 400 mm
4.ht 4.98
Với:
 [σn] là ứng suất nén cho phép của vật liệu = 126 N/mm2
t
 c là giới hạn chảy của thép CT3 = 240 N/mm2
 Et = 2,0.105 N/mm2 là môđun đàn hồi của thép CT3.
 x=0,9




E t ( S  Ca )  5 xR t tc
 2, 0
E t ( S  Ca )  6, 7 x(1  x) R t tc

p suất ngoài cho phép:
2[n ]( S  Ca ) 2.126.(4  1)
[Pn ] 

 0,945 > Pn = 0,1 N/mm2
.Rt
2,0.392
Vậy bề dày đầu - đuôi elip 4mm là đạt yêu cầu.
4.2.5. Đường kính các cửa ra vào.
 ng lấy hơi:

Khối lượng riêng của hỗn hợp hơi ở 78,90C
PM hh
1.38,36
h 

 1,33 (kg/m3)
RT
0,082.(273  78,9)
Lưu lượng thể tích của dòng hơi:
G .( R  1) 400.(1  1)
Qh  D

 601,5 (m3/h) = 0,167 (m3/s)
h
1,33
Chọn vận tốc dòng hơi vào khoảng 20m/s
Đường kính ống lấy hơi:

dh 

4Qh
= 0,103 (m)
.vh

Vậy chọn đường kính ống lấy hơi bằng 100mm
Chiều dài đoạn ống nối bằng 120mm (bảng XIII.32 [2])

23

 ng tháo nước ngưng:
vl chọn cỡ 0,1m/s đối với nước tự chảy, không có áp lực.
khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng:

d

1 x 1  x 0,872 1  0,872
1
 



l R N
736
973,6
759,7

4Ql
4.GD .( R  1)
4.400.(1  1)


 0,061(m)
.vl
.vl .l
.0,1.759,7.3600

Vậy chọn đường kính của ống dẫn lỏng ngưng tụ bằng 70mm
Chiều dài đoạn ống nối bằng 110mm (bảng XIII.32 [2])
 ng dẫn nước vào và ra:

Lưu lượng nước giải nhiệt:
QNT
230.3600
Gn 

 19,9 m3/h
.CN .t 994.4,18.(40  30)
Chọn vận tốc dòng nước vào và ra khỏi thiết bò vào khoảng 2m/s

d

4.GN
4.19,9

 0,059 m
v.3600
.2.3600

Vậy chọn đường kính ống dẫn nước là 60mm

24


4.3. Các chi tiết phụ của thiết bò ngưng tụ
4.3.1. Kiểm tra ứng suất nhiệt của thiết bò.
Lý thuyết: khi nhiệt độ của thân lớn hơn nhiệt độ ống, có thể không dùng kết cấu
cứng nếu thỏa mãn các điều kiện sau: [5]
t 

Pt

P.Ett
 t
  t 
Ft Et Ft  Eot Fo  

(I)

o 

Pt
P.Etot
 t
 o 
Fo Et Ft  Eot Fo  

(II)

Diện tích tiết diện ngang của thân có bề dày St là:
Ft = π.(Dt + St).St = π.(400 + 4).4 = 4976,3 (mm2)
Diện tích tiết diện ngang của thân có bề dày (St – Ca) là:
Ft1 = π.(Dt + St + 2Ca).(St – Ca)= π.(400 + 4 + 2).3 = 3751,1 (mm2)
Diện tích tiết diện ngang của ống có bề dày So là:
Fo =n. π.(dn – So).So = 114.π.(20 - 2).2 = 12893 (mm2)
Diện tích tiết diện ngang của ống có bề dày (So – Ca) là:
Fo1 =n. π.(dn – So + 2Ca ).(S0 – Ca)= 114.π.(20 – 2 + 2).1 = 7162,8 (mm2)
Nhiệt độ trung bình của thân và ống (tt và to) lần lượt là 78,9 và 53,9 0C.
t
t
Hệ số nở dài của vật liệu t   o = 17,3.10-6 1/0C
5

2
Mô đun đàn hồi Et  Eo  2,1.10 N / mm

ng suất nhiệt cho phép [ ] = 126 N/mm2 [ ] = 126 N/mm2
t

o

2
p suất môi trường trong và ngoài ống: pn  pt  0,1N / mm

Khi bề dày là St và So , lực tương hỗ giữa các phần nối cứng của thiết bò:
Pt 

tt [(tt  20)  (t o  20)] 12.106 [(78,9  20)  (53,9  20)]
= 2,2.105 (N)

1
1
1
1


Ett Ft Eot Fo
2, 0.105.4976,3 2, 0.105.12893

Khi bề dày là (St – Ca) và (So – Ca):
Pt 

tt [(tt  20)  (t o  20)] 12.106 [(78,9  20)  (53,9  20)]

= 1,5.105 (N)

1
1
1
1


Ett Ft .1 Eot Fo.1
2, 0.105.3751 2, 0.105.7162,8

Lực do áp suất của môi trường ở trong ống và ở không gian ngoài ống làm cho thân
và ống bò kéo theo chiều dọc trục:

P  0,785[( Dt2  n.dn2 ). pn  n.dt2 .pt ]  0,785.[(3922 114.202 ).0,1  114.162.0,1]
= 10774 (N)
Kiểm tra ứng suất tổng theo điều kiện (I).
25