Tính Toán và Thiết Kế Hệ Thống Tháp Mâm Xuyên Lỗ Chưng Cất Hệ Methanol và Nước

Đồ án môn học Quá Trình và Thiết Bị

MỤC LỤC

Page 1

GVHD: Tiền Tiến Nam


Đồ án môn học Quá Trình và Thiết Bị

GVHD: Tiền Tiến Nam

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.
Hiện nay, trong nhiều ngành sản suất hóa học cũng như sử dụng sản phẩm hóa học, nhu
cầu sử dụng nguyên liệu hoặc sản phẩm có độ tinh khiết cao phải phù hợp với quy trình sản
suất hoặc nhu cầu sử dụng.
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 Methanol - Nước là 2 cấu tử tan lẫn hoàn toàn, ta phải dùng
phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho Methanol
Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị là một môn học mang tính tổng hợp trong quá
trình học tập của các kỹ sư hoá- thự c phẩm tương lai. Môn học giúp sinh viên giải quyết
nhiệm vụ tính toán cụ thể về: yêu cầu công nghệ, kết cấu, giá thành của một thiết bị trong
sản xuất hoá chất - thực phẩm. Đây là bước đầu tiên để sinh viên vận dụng những kiến
thức đã học của nhiều môn học vào giải quyết những vấn đề kỹ thuật thực tế một cách tổng
hợp.
Nhiệm vụ của Đồ Án Môn Học (ĐAMH) là thiết kế tháp chưng cất hệ Methanol - Nước
hoạt động liên tục với nâng suất nhập liệu : 1500 kg/h có nồng độ nhập liệu là 20% mol

methanol ,thu được sản phẩm đỉnh có nồng độ 94% mol methanol
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.

Page 2


Đồ án môn học Quá Trình và Thiết Bị

GVHD: Tiền Tiến Nam

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN
I.
1.

Giới thiệu về nguyên liệu
Methanol

Methanol còn gọi là methyl alcohol, alcohol gỗ, naphtha gỗ hay rượu mạnh gỗ, có
công thức hoá học CH3OH(thường viết tắt là MeOH). Đây là rượu đơn giản nhất, nhẹ, dễ
bay hơi, không màu, dễ cháy chất lỏng với một mùi đặc trưng, rất giống, nhưng hơi ngọt
hơn ethanol (rượu thường). Ở nhiệt độ phòng, nó là một chất lỏng phân cực, và được sử
dụng như một chất chống đông, dung môi, nhiên liệu, và như là một chất làm biến tính cho
ethanol






1.1.

Phân tử lượng:
Khối lượng riêng:
Nhiệt độ nóng chảy:
Nhiệt độ sôi:
Độ nhớt:
Ứng dụng

32,04 g/mol
0,7918 g/cm3
-970C (1760K)
64,50C (337,80K)
0,59Ns/m2 ở 200C

Methanol được dung làm chất chống đông, làm dung môi, làm nhiên liệu cho động cơ
đốt trong, nhưng ứng dụng lớn nhất là làm nguyên liệu để sản xuất các hoá chất khác.
Khoảng 40% methanol được chuyển thành forml dehyde, từ đó sản xuất ra chất dẻo,
sơn,… Các hoá chất khác được sản xuất từ methanol bao gồm dimeylete,…
1.2.

Sản xuất

Methanol được sinh ra từ sự trao đổi chất yếm khí của 1 vài loài vi khuẩn. Kết quả là 1
lượng nhỏ hơi methanol được tạo thành trong không khí. Và sau vài ngày không khí có
chứa methanol sẽ bị oxy hoa bởi O 2 dưới tác dụng của ánh sang chuyển thành CO 2 và H2O
theo phương trình
2CH3OH + 3O2 2CO2 + 4H2O
Hiện nay methanol được sản xuất bằng cách tổng hôp trực tiếp từ H 2 và CO, gia nhiệt ở
áp suất thấp có mặt chất xúc tác.

2.

Nước

Nước là một hợp chất hóa học của oxy và hidro, có công thức hóa học là H2O. Với các
tính chất lí hóa đặc biệt (ví dụ như tínhlưỡng cực, liên kết hiđrô và tính bất thường của khối
lượng riêng) nước là một chất rất quan trọng trong nhiều ngành khoa học và trong đời
Page 3


Đồ án môn học Quá Trình và Thiết Bị

GVHD: Tiền Tiến Nam

sống. 70% diện tích của Trái Đất được nước che phủ nhưng chỉ 0,3% tổng lượng nước trên
Trái Đất nằm trong các nguồn có thể khai thác dùng làm nước uống.
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 hoá rắn nó có thể tồn tại ở dạng 5 dạng tinh thể khác nhau
Tính chất vật lý:





Khối lượng phần tử:
Khối lượng riêng d40C:
Nhiệt độ nóng chảy:
Nhiệt độ sôi:

18 g/mol
1 g/mol
00C
1000C

Nước là hợp một hợp chất chiếm phần lớn trên trái đất (3/4 diện tích trái đất là nước
biển) và rất cần thiết cho sự sống.
3.

Hổn hợp Methanol – nước

Ta có bảng cân bằng lỏng – hơi cho hỗn hợp methanol – nước ờ 1 atm
Bảng 1
T0C

100

92,3

87,7

81,7

78

75,3

73,1

71,2

69,3

x
y

0
0

5
26,8

10
41,8

20
57,9

30
40
66,5 72,9

50
77,9

60
82,5

70
87

67,
5
80
91.
5

66
90
95,
8

64,
5
100
100

Ở đây
X là thành phần lỏng
Y là thành phần hơi

Biểu đồ thể hiện sự thay đổi nhiệt độ, thành phần lỏng, thành phần hơi của hỗn hợp
methanol – nước
II.
1.

Lý thuyết về chưng cất
Khái niệm

Page 4

Đồ án môn học Quá Trình và Thiết Bị

GVHD: Tiền Tiến Nam

Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng (cũng như hổn
hợp khí lỏng) thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau cùa các cấu tử
trong hỗn hợp (nghĩa là khi ở cùng một nhiệt độ, áp suất hơi bão hoà của các cấu tử khác).
Thay vì đưa vào trong hỗn hợp một pha mới để tạo nên sự tiếp xúc giữa hai pha như
trong quá trình hấp thụ hoặc nhả khí, trong quá trình chưng cất pah mới được tạo nên bằng
sự bốc hơi hoặc ngưng tụ.
Trong trường họp đơn giản nhất, chưng cất và cô đặc không khac gì nhau, tuy nhiên
giữa hai qua trình này có một ranh giới cơ bản là trong quá trình chưng cất dung môi và
chất tan đều bay hơi (nghĩa là các cấu tử đều hiện diện trong cà hai pha nhưng với tỉ lệ
khác nhau), còn trong quá trình cô đặc thì chỉ có dung môi bay hơi còn chất tan thì không
bay hơi.
Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tủ và thường thì hệ có bao nhiêu cấu tử sẽ thu được
bấy nhiêu sản phẩm. Nếu xét hệ đơn giản chỉ có 2 cấu tử thì ta thu được 2 sản phẩm:
Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần rất ít các cấu tử có
độ bay hơi bé
Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi bé và một phần rất ít cấu tử có độ bay
hơi lớn.
Suy ra: với quy trình chưng cất đối với hệ methanol – nước thì
Sản phẩm đình là methanol
Sản phẩm đáy là nước
2.

Các phương pháp chưng cất
1.2. Phân loại theo áp suất làm việc

•
•
•
•
•
•
•
•

Áp suất thấp
Áp suất thường
Áp suất cao
2.2. Phân loại theo nguyên lý làm việc
Chưng cất đơn giản
Chưng bằng hơi nước trực tiếp
Chưng cất đa cấu tử
3.2. Phân loại theo phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp
Cấp nhiệt trực tiếp
Cáp nhiệt gián tiếp

Page 5


Đồ án môn học Quá Trình và Thiết Bị

GVHD: Tiền Tiến Nam

Vậy đối với hệ methanol – nước, ta nên chọn phương pháp chưng cất lien tục cấp
nhiệt gián tiếp.

3.

Thiết bị chưng cất

Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để tiến hành chưng cất. Tuy
nhiên yêu cầu cơ bản chung của các thiết bị vẫn giống nhau là diện tíc bề mặt tiếp xúc pha
phải lớn, diều này phụ thuộc vào mức độ phân tán của một lưu chất này vào lưu chất kia.
Nếu pha khí phân tán vào pha long3ta có cac loại tháp mâm, nếu pha lỏng phân tán vào
pha khí thì ta có tháp chem., tháp phun,… Ở đây ta khào sát 2 loại thướng dùng là tháp
mâm và tháp chem..
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 cho tiếp xúc với nhau. Tuỳ theo cấu tạo
của đĩa, ta có:

Tháp mâm chóp: trên mâm bố trí có chóp dạng tròn, xupap, chử S….

Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh
• Tháp chêm (tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối tiếp nhau bằng mặt bích
hay hàn.Vật chêm được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp sau: xếp ngẫu
nhiên hay xếp thứ tự.
•

So sánh ưu nhược điểm của các loại tháp:
Tháp chêm
Tháp mâm xuyên lỗ Tháp mâm chóp
- Cấu tạo khá đơn
giản
- Trở lực tươn đối
- Khá ổn định
Ưu điểm

- Trở lực thấp
thấp
- Hiệu suất cao
- Làm việc được - Hiệu suất khá cao
với chất lỏng bẩn
- Do có hiệu ứng
thành nên hiệu
sất truyền khối
- Không làm việc
thấp
- Có trở lực lớn
được với chất
- Độ ổn định thấp,
- Tiêu tốn nhiều
Nhược điễm
lỏng bẩn
khó vận hành
vật tư, kết cấu
- Kết cấu khá phức
- Khó tăng năng
phức tạp
tạp
suất
- Thiết bị khá nặng
nề
Quy trình chưng cất được thực hiện dựa vào nhiểu loại tháp có cấu tạo khác nhau, tuy
nhiên tuỳ vào mục đích, hiệu suất chưng cất và điều kiện không gian cũng như điều kiện
kinh tế mà ta lựa chọn tháp chưng cất phù hợp. Qua quá trình nghiên cứu, thì tôi thấy tháp
Page 6

Đồ án môn học Quá Trình và Thiết Bị

GVHD: Tiền Tiến Nam

mâm xuyên lỗ phù hợp với hệ methanol – nước này. Tháp mâm xuyên lỗ có những ưu
điểm sau:





Chế tạo đơn giản
Vệ sinh dễ dàng
Trở lực tháp hơn tháp chóp
Ít tốn kim loại hơn tháp chóp

Do sản phẩm là methanol với yêu cầu độ tinh khiết cao khi sử dụng cùng với hỗn hợp
methanol – nước là hỗn hợp không có điểm đẳng khí nên chọn phương pháp chưng cất lien
tục là hiệu quả nhất.

Page 7


Đồ án môn học Quá Trình và Thiết Bị

GVHD: Tiền Tiến Nam

CHƯƠNG II: THUYẾT MINH QUY TRÌNH
I.

Thuyết minh quy trình công nghệ

Hỗn hợp methanol – nước có nổng độ nhập liệu methanol 10% (theo phần hối lượng),
nhiệt độ khoảng 280C tại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3).
Sau đó hỗn hợp được gia nhiệt ở thiết bị ngưng tụ (8) rồi chuyển vào đun sôi đến nhiệt độ
sôi trong thiết bị gia nhiệt (6), hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất (7) ở đĩa nhập liệu.
Trong đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn luyện của tháp chảy
xuống. Trong tháp, hơi đi từ dưới lên gặp chất lỏng đi từ trên xuống. Ở đây, có sự tiếp xúc
và trao đổi giửa hai pha với nhau. Pha lỏng chuyển động trong phần chưng cất càng xuống
dưới càng giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi tạo nên từ nồi đun (11) lôi
cuốn cấu tử dễ bay hơi. Nhiệt độ càng lên trên càng tháp 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 methanol chiếm nhiều nhất (có nồng độ 95% phần khối lượng).
Hơi này đi vào thiếp bị ngưng tụ (8) và được ngưng tụ hoàn toàn. Một phần chất lỏng
ngưng tụ được hoàn lưu về tháp ở đĩa trên cùng. Phần còn lại được làm nguội đến 40 0C, rồi
đưa về bình chứa sản phẩm đỉnh.
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 (nước). Hỗn hợp lỏng ở đáy tháp có nồng độ methanol là 1,5% khối
lượng, còn lại là nước. Dung dịch lỏng ở đáy tháp đi vào thiết bị trao đổi nhiệt (11) với
dòng nhập liệu. Trong thiết bị trao đổi nhiệt dung dịch lỏng một phần sẽ bốc hơi cung cấp
lại cho tháp để làm việc lien tục, phần còn lại ra khỏi thiết bị vào thiết bị làm nguội sản
phẩm đáy (12). Sau đó, được đưa vào bồn chứa sản phẩm đáy (13).
Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là methanol. Sản phẩm đáy là nước
sau khi trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu được thải bỏ ớ nhiệt độ 600C.
II.

Chú thích các thiết bị trong qui trình
1.

Bồn chứa nguyên liệu
Page 8


Đồ án môn học Quá Trình và Thiết Bị
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.

Bơm
Bồn cao vị
Van
Lưu lượng kế
Thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu
Tháp chưng cất
Thiết bị ngưng tụ

Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh
Bồn chứa sản phẩm đỉnh
Thiết bị gia nhiệt đáy tháp
Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy
Bồn chứa sản phẩm đáy
Bảy hơi
Phân phối lỏng
Áp kế
Nhiệt kế

Page 9

GVHD: Tiền Tiến Nam


Đồ án môn học Quá Trình và Thiết Bị

GVHD: Tiền Tiến Nam

CHƯƠNG III: TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ
NĂNG LƯỢNG
Các thông số ban đầu

I.

Chọn loại tháp là tháp mâm xuyên lỗ. Thiết bị hoạt động liên tục.
Khi chưng luyện dung dịch methanol thì cấu tử dễ bay hơi là methanol
Hỗn hợp:
•
•

Methanol: CH3OH, MR = 32 (g/mol)
Nước: H2O, MN = 18 (g/mol)

Năng suất nhập liệu: GF = 1500 kg/h

Nồng độ nhập liệu: phần mol matanol

Nồng độ sản phẩm đỉnh: phần mol methanol

Nồng độ sản phẩm đáy: phần mol methanol

Chọn






Nhiệt độ nhập liệu ban đầu: tBĐ = 280C
Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội: tPR = 300C
Nhiệt độ dòng nước lạnh đi vào: tV = 280C
Nhiệt độ dòng lạnh đi ra: tR = 400C
Trang thái nhập liệu vào tháp chưng cất là trạng thái lỏng sôi

Các ký hiệu:






II.
1.

GF, F: suất lượng nhập liệu tính theo kg/h, kmol/h
GP, P: suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo kg/h, kmol/h
GW, W: suất lượng sản phẩm đáy tính theo kg/h, kmol/h
L: suất lượng dòng hoàn lưu, kmol/h
xi, : nồng độ phần mol, phần khối lượng của cấu tử i.

Cân bằng vật chất
Nồng độ phần khối lượng của methanol trong tháp

% (theo khối lượng)
% (theo khối lượng)
Page 10


Đồ án môn học Quá Trình và Thiết Bị

GVHD: Tiền Tiến Nam

% (theo khối lượng)
Khối lượng phân tử trung bình dòng nhập liệu:
kg/kmol
Khối lượng phân tử trung bình dòng sản phẩm đáy, đỉnh là:
kg/kmol
kg/kmol
Suy ra:
kmol/h

2.

Suất lượng mol của các dòng
Ta có:

Cân bằng vật chất cho toàn tháp:

F=D+W

(1)

Cân bằng cấu tử methanol(cấu tử nhẹ) : F.xF = D.xD + W.xW (2)
Từ (1) và (2) ta có:
Suy ra:
III.
1.

Xác định tỉ số hoàn lưu thích hợp
Tỉ số hoàn lưu tối hiểu

Tỉ số hoàn lưu tối thiểu là chỉ số mà chế độ làm việc 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 (nguyên liệu, nước,
bơm…) là tối hiểu.
Từ bảng số liệu 1 ta xây dựng đồ thị cân bằng pha của hệ methanol – nước ở áp suất 1 atm.

Xây dựng đồ thị 2:

Page 11

Đồ án môn học Quá Trình và Thiết Bị

GVHD: Tiền Tiến Nam

Đồ thị 2: Đồ thị cân bằng pha của hệ methanol – nước ở áp suất 1atm
Với xF = 0,2 ta nội suy t từ đồ thị 2 được yF* = 0,579
•

Tỉ số hoàn lưu tối hiểu tra công thức IX.24 trang 158, [2] ta có:

•

Tỉ số hoàn lưu làm việc: R = 1,3Rmin + 0,3 = 1,3 . 0.95 + 0,3 = 1,535

2. Phương trình đường làm việc số mâm
• Phương trình đường làm việc của đoạn cất:

•

lý thuyết

Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng:

Với chỉ số nhập liệu
•

Phương trình đường làm việc của phần luyện:

Số mâm lý thuyết

IV.

Từ đồ thị ta thu được 10 mâm bao gồm:

Số mâm thực tế

V.

Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình:

Trong đó:
: hiệu suất trung bình của đĩa, là một hàm số của độ bay hơi tương đối và độ nhớt của hỗn
hợp lỏng
 NTT : số mâm thực tế
 NLT : số mâm lý thuyết


1.

Xác định hiệu suất trung bình của tháp:

Độ bay hơi tương đối của các cấu tử dễ bay hơi:
Page 12


Đồ án môn học Quá Trình và Thiết Bị
IX.61 trang 172, [2]
Với: x: phần mol của rượu trong pha lỏng.
y*: phần mol của rượu trong pha hơi.
Tại vị trí nhập liệu:

Ta có: xF = 0,2 ta tra đồ thị cân bằng của hệ:
Suy ra:
Mặt khác: , tra bảng trang 107, [1]

Suy ra:
Tra bảng trang 171, [2] ta có: 0,396
Tại vị trí mâm đáy:
Ta có: xW = 0,03 ta tra đồ thị cân bằng của hệ:
Suy ra:
Mặt khác: , tra bảng trang 107, [1]

Suy ra:
Tra bảng trang 171, [2] ta có: 0,42
Tại vị trí mâm đỉnh:
Ta có: xD = 0,94 ta tra đồ thị cân bằng của hệ:
Suy ra:
Mặt khác: , tra bảng trang 107, [1]:

Suy ra:
Tra bảng trang 171, [2] ta có: 0,445
Page 13

GVHD: Tiền Tiến Nam


Đồ án môn học Quá Trình và Thiết Bị

GVHD: Tiền Tiến Nam

Suy ra: hiệu suất trung bình của tháp là

2.

Số mâm thực tế của tháp NTT:

Vậy ta có NTT = 21 mâm, bao gồm

Cân bằng năng lượng

VI.

Cân bằng nhiệt lượng cho toàn tháp chưng cất:
QF + Qđ = QW + QD + Qnt + Qm
•

Nhiệt lượng do hỗn hợp rượu nhập liệu mang vào tháp QF:
QF = GF . HF = GF . CF.(tF – to) , (KJ/h)

IX.152 trang 197, [2]

Trong đó:




GF = = 31% nồng độ khối lượng nhập liệu ban đầu
CF : nhiệt dung riêng của hỗn hợp ban đầu
Chọn nhiệt độ chuẩn: t0 = 200C

Ở , tra bảng I.154 trang 172, [1] ta có nhiệt dung riêng của rượu: cR = 2719,1 (J/kg.độ).

Suy ra:
= 3731,3 (J/kg.độ)
Vậy QF = 1500 . 3731,3 . (81,7 – 20) = 0,35.109 (J/h) = 0,35.106 (KJ/h)
•

Nhiệt lượng sản phẩm đáy mang ra từ nồi đun QW
QW = GW . HW = W . MW.cW.(tw – to) , (KJ/h)

IX.160 trang 198, [2]

Trong đó:




W = 58,65 Kmol/h
MW = 18,42 kg/kmol
Chọn nhiệt độ chuẩn: to = 20oC

Do sản phẩm đáy chứa nhiều nước nên nhiệt dung riêng của sản phẩm đáy có thể tính
gần đúng theo công thức sau:
Page 14


Đồ án môn học Quá Trình và Thiết Bị

GVHD: Tiền Tiến Nam

Vậy QW = 58,65 . 18,42 . 4060,42 . (95,38 – 20) = 0,331.109 (J/h)
= 0,331.106 (KJ/h)

•

Nhiệt lượng sản phẩm đỉnh mang ra từ nồi đun QW
QD = GD . HD = D . MD.cD.(tD – to) , (KJ/h)

trang 198, [2]

Trong đó:




D = 13,47 Kmol/h
MD = 31,16 kg/kmol
Chọn nhiệt độ chuẩn: to = 20oC

Ở , tra bảng I.154 trang 172, [1], ta có nhiệt dung riêng của rượu: cR = 2682,15 (J/kg.độ).
Suy ra:
= 2727,27 (J/kg.độ)
Vậy: QD = 13,47 . 31,16 . 2727,27 . (65,4 – 20) = 0,052.109 (J/h)
= 0,052.106 (KJ/h)
•

Nhiệt lượng ngưng tự do 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)
Ở tD = 65,4 tra bảng I.212 trang 254, [1] ta thu được



Nhiệt hoá hơi của nước: rN = 2401548,48 J/h = 2401,55 (KJ/h)
Nhiệt hoá hơi của rượu: rR = 1096501,99 J/h = 1096,5 (KJ/h)

Suy ra:
= 1124,85 (KJ/h)
Vậy: Qnt = 13,47 . (1,535 + 1) . 31,16 . 1124,85 = 1,197.106 (KJ/h)
•

Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh lấy bằng 5% nhiệt tiêu tốn Qm

Page 15


Đồ án môn học Quá Trình và Thiết Bị

•

GVHD: Tiền Tiến Nam

Nhiệt lượng cung cấp cho nồi đun đáy tháp Qđ:

= 1308510,638 (KJ/h) = 363,48 (KW)
•

Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào QD1 :
QD1 = (QF + Qnt + Qm) - Qf

Trong đó






QF = 0,35.106 (KJ/h)
Qnt = 1,197.106 (KJ/h)
Qm = (KJ/h)
Qf = GF.Cf.tf (bảng IX.151, trang 197, [2])

Ta có: Tf = 28oC tra bảng[30.104], trang 176, [2] ta được: Cf = 3972,5 J/kg.độ
Suy ra: Qf = GF.cf.tf = 1500.3972,5.28 = 166,9.106 J/h = 0,1669.106 KJ/h
Vậy: QD1 = (0,35.106 + 1,197.106 + ) - 0,1669.106 = 1,445.106 KJ/h

CHƯƠNG IV: TÍNH KÍCH THƯỚC THÁP VÀ MÂM
I.

ĐƯỜNG KÍNH THÁP
Tra cong thức IX.89,IX.90 trang 182 , [2] ta được công thức sau:
(m)
Trong đó:


Vtb : lượng hơi trung bình đi trong tháp (m3/h)
Page 16


Đồ án môn học Quá Trình và Thiết Bị



GVHD: Tiền Tiến Nam

: tốc độ hơi trung bình đi trong tháp (m/s)
: lượng hơi trung bình đi trong tháo (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
• Lượng hơi trung bình đi trong tháp:

(kg/h) tra công thức IX.91 trang 182, [2]
Trong đó:



gd : lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (kg/h)
gl : lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn cất (kg/h)

Xác định gd : gd = D.(R+1).MD tra IX.92 trang 182, {2}
= 13,47.(1,535 + 1).31,16 = 1064 (kg/h)
Xác định gl : tra tài liệu IX.93,IX.94,IX.95 trang 182, [2] ta thu được hệ phương trình sau:

Trong đó




G1 : lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn cất
r1 : ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất của đoạn cất
rd : ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp đi ra ở đỉnh tháp

Tính r1:
Ta có t1 = tF = 81,7oC, tra tài liệu tham khảo bảng I.212 trang 255, {1} ta có:

Nhiệt hoá hơi của nước là: rN1 = 41999,4 KJ/kmol

Nhiệt hoá hơi của rượu là: rR1 = 33832,32 KJ/kmol
Suy ra: r1 = rR1.y1 + (1-y1).rR1 = 41999,4 – 8167,08y1
Tính rd
Ta có tD = 65,40C, tra tài liệu tham khảo bảng I.212 trang 255, {1} ta có:



Nhiệt hoá hơi của nước là: rNd = 43227,9 KJ/kmol
Nhiệt hoá hơi của rượu là: rRd = 35088,1 KJ/kmol
Page 17


Đồ án môn học Quá Trình và Thiết Bị

GVHD: Tiền Tiến Nam

Suy ra: rd = rRd.yD + (1-yD).rRd = 35088,1.0,98 + (1-0,98).43227,9
= 35250,9 KJ/kmol
Mặt khác: x1 = xF = 0,2
Giải hệ (*) trên ta được:_M1 = 25,14
Vậy:
•

Tốc độ trung bình đi trong tháp

Tốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp với mâm xuyên lỗ có ống chảy truyền:

Trong đó:



Xác định :

Với: + Nồng độ phần mol trung bình:
+ Nhiệt độ trung bình đoạn cất:
Suy ra:
Xác định :
Nồng độ phần mol trung bình:
Suy ra:
Ta có: xtb = 0,57 suy ra ttb = 71,770C, tra bảng I.2 trang 10, [1], ta thu được:



Khối lượng riêng của nước:
Khối lượng riêng của rượu:

Suy ra:
Vậy:
Page 18


Đồ án môn học Quá Trình và Thiết Bị

GVHD: Tiền Tiến Nam

Để tránh tạo bọt ta chọn tốc độ hơi trung bình trong tháp:

Vậy đường kính đoạn cất:
2. Đường kính đoạn chưng:
• Lượng hơi trung bình đi trong tháp:

(kg/h) tra công thức IX.91 trang 182, [2]
Trong đó:



gn : lượng hơi ra khỏi đoạn chưng (kg/h)
: lượng hơi đi vào đoạn chưng (kg/h)

Xác định gd : gn = g1 =
Xác định : tra tài liệu IX.98,IX.99,IX.100 trang 183, {2} ta thu được hệ phương trình
sau:

Trong đó
: lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn chưng
: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng
Tính :
Ta có xW = 0,03 , tra đồ thị cân bằng của hệ ta được yW = 0,1608
Suy ra
Ta có = tW = 95,38oC, tra tài liệu tham khảo bảng I.212 trang 255, {1} ta có:

Nhiệt hoá hơi của nước là: KJ/kmol

Nhiệt hoá hơi của rượu là: = 32824,91 KJ/kmol



•

Suy ra:

= 39659,01 KJ/kmol
•

Tính r1: r1 = 41999,4 – 8167,08y1 = 41999,4 – 8167,08
= 37834,19 (KJ/kmol)

Giải hệ (**) trên ta được:_MtbG` = 19,05
Vậy:
Page 19


Đồ án môn học Quá Trình và Thiết Bị
•

GVHD: Tiền Tiến Nam

Tốc độ trung bình đi trong tháp

Tốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp với mâm xuyên lỗ có ống chảy truyền:

Trong đó:




Xác định :

Với: + Nồng độ phần mol trung bình:
+ Nhiệt độ trung bình đoạn chưng:
Suy ra:
Xác định :
Nồng độ phần mol trung bình:
Suy ra:
Ta có: = 0,115 suy ra = 86,80C, tra bảng I.2 trang 10, [1], ta thu được:



Khối lượng riêng của nước:
Khối lượng riêng của rượu:

Suy ra:
Vậy:
Để tránh tạo bọt ta chọn tốc độ hơi trung bình trong tháp:

Vậy đường kính đoạn chưng:
Kết luận: hai đường kính đoạn cất và chưng không chênh lệch nhau quá lớn nên ta
chọn đường kính của toàn tháp là Dt = 0,6 (m).
Khi đó tốc độ làm việc thực ở:
Page 20


Đồ án môn học Quá Trình và Thiết Bị


II.

1.

GVHD: Tiền Tiến Nam

Phần cất:
Phần chưng:

Chiều cao tháp chưng cất
Chiều cao của tháp.

Tra tài liệu IX.54 trang 170, [2] ta có công thức tính chiều cao toàn tháp là:

Trong đó





Htháp : chiều cao của tháp (m)
Ntt : số mâm thực tế
hmâm : khoảng cách giữa các mâm (m)
: chiều dày của mâm

Tra bảng IX.4a trang 170, [2] chọn giá trị hmâm = 0,41 (m), chọn
Suy ra
2. Chiều cao đáy (nắp)
• Chọn đáy (nắp) tiêu chuần có:

•

Chọn chiều cao gờ:

Vậy chiều cao đáy (nắp):

Kết luận: chiều cao toàn tháp là: H = Htháp + 2.Hđáy (nắp) = 9,67 + 2.0,175
= 10 (m)
III.
1.

Mâm lỗ - trở lực của mâm
Cấu tạo mâm lỗ

Chọn tháp mâm xuyên lỗ có ống chảy truyền:






Đường kính lỗ: d1 = 3 (mm) = 0,003 (m)
Tiết diện tự do bằng 8% diện tích mâm
Chiều cao gờ chảy tràn : hgờ = 25 mm = 0,025 (m)
Diện tích của 2 bán nguyệt bằng 20% diện tích mâm
Lỗ bố trí theo hình lục giác đều
Page 21


Đồ án môn học Quá Trình và Thiết Bị





GVHD: Tiền Tiến Nam

Khoảng cách giữa 2 tâm lỗ bằng 15 mm
Bề dày mâm bằng 2 mm
Mâm được làm bằng thép không rỉ

Số lỗ trên 1 mâm:

Gọi a là số hình lục giác
Tra cong thức V.139 trang 49, [2] ta có: n = 3a.(a – 1) + 1 (***)
Giải phương trình (***) ta thu được: a = 115,969 116
Số lỗ trên đường chéo: b = 2a – 1 = 231 lỗ
2.

Trở lực của đĩa khô
tra tài liệu IX.140 trang 195, [2]
Trong đó:




: tốc độ hơi qua lỗ (m/s)
: khối lượng riêng trung bình của pha khí (hơi) (kg/m3)
: hệ số trở lực - (diện tích lỗ từ 7% - 10% diện tích tháp)
- (diện tích lỗ từ 15% - 20% diện tích tháp)

Phần cất:
Vận tốc hơi qua lỗ:

Suy ra:
Phần chưng
Vận tốc hơi qua lỗ:
Suy ra:
3.

Trở lực do sức căng bề mặt

Do đĩa có đường kính lỗ lớn hơn 1mm nên ta áp dụng công thức IX.142 trang 195, [2].

Phần cất
Page 22


Đồ án môn học Quá Trình và Thiết Bị

GVHD: Tiền Tiến Nam

Tại nhiệt độ trung bình của pha lỏng trong phần luyện là T = 81,7 oC tra tài liệu I.242 và
I.249 trang 301 và 311, [1] thu được:



Sức căng bề mặt của nước :
Sức căng bề mặt của rượu :

Áp dụng công thức I.76 trang 300, [1] ta có:

Suy ra:
Phần chưng

Tại nhiệt độ trung bình của pha lỏng trong phần luyện là T = tra tài liệu I.242 và I.249
trang 301 và 311, [1] thu được:



Sức căng bề mặt của nước :
Sức căng bề mặt của rượu :

Áp dụng công thức I.76 trang 300, [1] ta có:

Suy ra:
4.

Trở lực thuỷ tỉnh do chất lỏng trên đĩa tạo ra

Áp dụng công thức IX.143 trang 195, [2] :

Trong đó:





hb : chiều cao ống chảy chuyền nhô lên trên đĩa (m)
: khối lượng riêng của chất lỏng
: gia tốc trọng trường ( 9,81 m/s2)
: tỉ số giữa khối lượng riêng chất lỏng bọt và khối lượng riêng chất lỏng

Tính chiều cao ống chảy truyền hc :
Ta có :

với

Trong đó:
Page 23


Đồ án môn học Quá Trình và Thiết Bị




Lgờ : chiều dài của gờ chảy tràn , m
K = 0,5
: suất lượng thể tích của pha lỏng, m3/s

Tính chiều cao của gờ chảy tràn:

Ta có :

Dùng phép lặp: suy ra
Nên Lgờ = Dt . = 0,6 . = 0,436 m
Phần cất:
Nồng độ mol trung bình của phần cất: phần mol
Khối lượng mol trung bình của phần cất:
Suất lượng thể tích của pha lỏng trong phần cất là:

Tra bảng thu được các thông số:





GD = MD . D = 31,16 . 13,47 = 419,73 kg/h
R = 1,535

Suy ra :

Page 24

GVHD: Tiền Tiến Nam


Đồ án môn học Quá Trình và Thiết Bị
Kết luận:

Phần chưng:
Nồng độ mol trung bình của phần cất: phần mol
Khối lượng mol trung bình của phần cất:
Suất lượng thể tích của pha lỏng trong phần cất là:

Tra bảng thu được các thông số:




GW = MW . D = 58,65 . 18,42 = 1080,3 kg/h
R = 1,535

Suy ra:

Kết luận:

5.

Tổng trở thuỷ lực của tháp
Phần cất

Suy ra:
Phần chưng

Suy ra:
6.

Kiểm tra hoạt động của mâm

Page 25

GVHD: Tiền Tiến Nam