đồ án chưng cất hỗn hợp Acetone –Nước với tháp mâm

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 Giới thiệu sơ bộ :
1.1.1 Sơ lượt về Acetone:
Công thúc phân tử của Acetone: CH3COCH3.
Khối lượng phân tử: 58.079 dvC
Đặc điểm: Acetone là một chất lỏng không màu, dễ bay hơi, dễ cháy, có mùi
thơm và là dạng xeton đơn giản nhất
Khoảng 6.7 triệu tấn được sản xuất trên thế giới trong năm 2010, phần lớn trong
đó được sử dụng làm dung môi và sản xuất methy methancrylate và bisphenol A.
Được tìm thấy đầu tiên vào năm 1595 bởi Libavius, bằng chưng cất khan đường,
và đến năm 1805 Trommsdorff tiến hành sản xuất Acetone bằng cách chưng cất Acetat
của bồ tạt và sođa : là một phân đoạn lỏng nằm giữa phân đoạn rượu và eter.
1.1.2 Thông số vật lý và nhiệt động của Acetone :
Khối lượng riêng: 0.7845 g/cm3 (25oC)
Nhiệt độ nóng chảy: -94.7oC
Nhiệt độ sôi: 56,05oC
Nhiệt dung riêng Cp :

22 Kcal/mol (chuẩn ở 1020C)

Độ nhớt 

:

0.316 cp ( ở 250C)

Nhiệt trị

:

0.5176 cal/g ( ở 200C)

Áp suất hơi: 30.6 kPa (25oC), 374 kPa (100oC)


1.1.3 Ứng dụng
Acetone được sử dụng trong các lĩnh vực: dung môi, hóa chất trung gian, trong
phòng thí nghiệm, y tế và mỹ phẩm, gia dụng và các lĩnh vực khác.
Trong đó dùng nhiều cho mục đích dung môi trong công nghiệp: cho vecni, sơn,
sơn mài, cellulose acetate, nhựa, cao su … Nó hoà tan tốt tơ acetate, nitroxenluloz,
nhựa phenol focmandehyt, chất béo, dung môi pha sơn, mực in ống đồng.
Bên cạnh đó aetone còn là nguyên liệu tổng hợp thủy tinh hữu cơ. Từ acetone
cũng có thể tổng hợp ceten, sumfonat và các holofom.
1.1.4 Tính chất hoá học :
Acetone khó bị oxi hóa bởi thuốc thử Fehlin, Tôluen, HNO3đđ, KMnO4… Chỉ
bị oxi hóa bởi hỗn hợp KMnO4 + H2SO4, hỗn hợp Sulfochromic K2Cr2O7 +
H2SO4…
Bị gãy mạch cacbon.
CH3-CO-CH3



CH3-CO-CH2-OH



CH3-CO-CH=O



CH3COOH

+

HCOOH
Phản ứng khử: CH3COCH3 + H2  CH3CHOH-CH3
1.1.5 An toàn
Hỗn hợp khí chứa acetone từ 2.5% đến 12.8% có thể gây nổ và cháy lang do hơi
bay đến các nguồn cháy khác và tiếp tục gây cháy.
Có tính độc cấp tính và mãn tính nếu uống hay hít vào.
1.1.6 Điều chế :
Phương pháp điều chế được sử dụng trước đây:
Chưng cất Acetate, ví dụ như Calcium acetate ở phản ứng khử carboxyl .
Lên men Acetone-Ethanol với vi khuẩn Clostridium acetobutylicum.
Phương pháp điều chế thông dụng hiện nay:


Acetone được sản xuất trực tiếp hoặc gián tiếp từ propylene. Khoảng 83% được
sản xuất thông qua quá trình cumen hóa, do vậy sản xuất Acetone thường gắn với sản
xuất Phenol.
Ngoài ra, còn một số quá trình sản xuất Acetone khác :
Oxi hóa trực tiếp Butan – Propan.
Lên men Carbonhydrate bởi vi khuẩn đặc biệt.
Tổng hợp Acetone bằng cách Dehydro Isopropyl Alcol có xúc tác:
CH3CHOHCH3 + 15.9 Kcal (ở 327 0C) CH3COCH3 + H2
Xúc tác sử dụng ở đây: đồng và hợp kim của nó, oxit kim loại và muối.
Ở nhiệt độ khoảng 325 oC, hiệu suất khoảng 97%.
Dòng khí nóng sau phản ứng gồm có: Acetone, lượng Isopropyl Alcol chưa phản
ứng, H2 và một phần nhỏ sản phẩm phụ (như Propylene, diisopropyl eter…). Hỗn hợp
này được làm lạnh và khí không ngưng được lọc bởi nước. Dung dịch lỏng được đem
đi chưng cất phân đoạn, thu được Acetone ở đỉnh và hỗn hợp của nước, Isopropyl

Alcol (ít) ở đáy.
1.2 Công nghệ chưng cất hỗn hợp Acetone –Nước:
Ta có Acetone là một chất lỏng tan vô hạn trong nước, bên cạnh đó nhiệt độ sôi
của Acetone (56.9oC ở 760 mmHg) và Nước (100oC ở 760 mmHg). Với yêu cầu tách
Acetone ra khỏi hỗn hợp Acetone-Nước ta có nhiều phương pháp để thực hiện như cô
đặc, trích ly, hấp thụ, tuy nhiên đối với yêu cầu độ tinh khiết Acetone cao (99% mol),
phương pháp cô đặc hầu như không thể thực hiện vì cả Acetone và nước đều bay hơi
cùng nhau, đối với phương pháp hấp thụ và trích ly, ta cần đưa vào thêm một pha mới
để tách Acetone ra, do đó quá trình sẽ phức tạp và tiêu tốn chi phí.
Với độ chênh lệch nhiệt độ sôi của Acetone và nước tương đối cách xa nhau và
hỗn hợp của chúng không có điểm đẳng phí, do đó phương pháp để thu được Acetone
99% mol được chọn là phương pháp chưng cất phân đoạn.
Chưng cất là quá trình phân tách các hỗn hợp lỏng thành các cấu tử riêng biệt
dựa vào sự khác nhau về độ bay hơi của chúng ( hay nhiệt độ sôi ), 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.
1.2.1 Phương pháp thực hiện:
Chưng cất đơn giản (dùng thiết bị hoạt động theo chu kỳ):
Khi nhiệt độ sôi của các cấu tử khác xa nhau.
Khi 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 liên tục hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục): là quá
trình được thực hiện liên tục, nghịch dòng, nhiều đoạn.
Ngoài ra còn có thiết bị hoạt động bán liên tục.
Trong trường hợp này, do sản phẩm là Acetone – với yêu cầu có độ tinh khiết cao
khi sử dụng , cộng với hỗn hợp Acetone – Nước là hỗn hợp không có điểm đẳng phí
nên chọn phương pháp chưng cất liên tục là hiệu quả nhất.

1.2.2 Loại tháp chưng cất:
Chưng cất trong công nghiệp có thể được sử dụng thông qua nhiều dạng thiết bị
khác nhau. Tuy nhiên những yêu cầu chung như: diện tích tiếp xúc pha lớn phụ thuộc
và sự phan tán pha của các cấu tử trong hỗn hợp, các điều kiện làm việc thuận lợi như
nhiệt độ, áp suất,.. Ở đây ta khảo sát 2 loại 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, trên đó pha lỏng và pha hơi được cho tiếp xúc với nhau. Tùy theo cấu
tạo của đĩa, ta có:
Tháp mâm chóp : trên mâm bố trí có chóp dạng tròn, chữ s…
Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh.
 Tháp chêm (tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều bậc 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


Tháp chêm
- Cấu tạo khá đơn giản.
Ưu điểm

Tháp mâm xuyên lỗ
- Trở lực tương đối thấp.

Tháp mâm chóp
- Khá ổn định.

- Làm việc được với chất - Năng suất lớn.

- Độ tinh khiết sản

lỏng bẩn nếu dùng đệm cầu

phẩm đỉnh cao

có    của chất lỏng.
- Do có hiệu ứng thành  hiệu suất truyền khối thấp.

Nhược
điểm

Không làm việc được - Có trở lực lớn.

với chất lỏng bẩn.

- Tiêu tốn nhiều vật

- Độ ổn định không cao, khó - Kết cấu khá phức tạp.

tư, kết cấu phức

vận hành.

tạp.

- Do có hiệu ứng thành 
khi tăng năng suất thì hiệu
ứng thành tăng  khó tăng
năng suất.

Vậy: Đối với yêu cầu chưng cất hỗn hợp Acetone – Nước để thu được sản phẩm đỉnh
có nồng độ Acetone là 99% phần mol thì tháp mâm chóp là loại tháp phù hợp để chọn

lựa.
1.3 Sơ đồ qui trình công nghệ và thuyết minh qui trình công nghệ:
1.3.1 Sơ đồ qui trình công nghệ (đính kèm)
1.3.2 Thuyết minh quy trình công nghệ
Hỗn hợp Acetone- Nước có nồng độ Acetone 30% (theo phần mol) , nhiệt độ
khoảng 30 0C tại bình chứa nguyên liệu () được bơm () bơm đến thiết bị tận dụng
nhiệt sản phẩm đáy (). Ở đây, hỗn hợp được đun sôi đến nhiệt độ () . Sau đó, hỗn hợp
được đưa qua (thiết bị trao đổi nhiệt) () trước khi vào tháp chưng cất () ở đĩa nhập
liệu.
Tại đĩa nhập liệu, dòng nhập liệu trộn với lỏng từ phân đoạn cất chảy xuống đáy
tháp. Bên trong tháp, hơi đi từ dưới lên và lỏng đi từ trên xuống, tại đây xảy ra quá


trình truyền khối. Pha lỏng di chuyển trong tháp càng xuống dưới nồng độ cấu tử dễ
bay hơi càng giảm do bị pha hơi hơi tạo ra từ nồi đun đi từ phía dưới lên lôi cuốn .
Nhiệt độ trong tháp giảm dần từ trên xuống dưới, do đó khi đi từ dưới lên trên nhiệt
độ giảm làm cho cấu tử khó bay hơi như nước ngưng tụ, cuối cùng trên đỉnh tháp thu
được hộp hợp có nồng độ Acetone cao (có nồng độ 99% theo phần trăm mol). Hơi này
đi vào thiết bị ngưng tụ () và được ngưng tụ về trạng thái lỏng sôi. Một phần chất lỏng
ngưng đi qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (), được làm nguội đến 30 0C , rồi được
đưa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh (). Phần còn lại của chất lỏng ngưng được hồi lưu về
tháp ở đĩa trên cùng với tỷ số hoàn lưu thích hợp. Một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp
được bốc hơi, còn lại cấu tử có nhiệt độ sôi cao trong chất lỏng ngày càng tăng . Cuối
cùng, ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng gồm hầu hết là cấu tử khó bay hơi (nước).
Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độ Acetone là 2% theo phần mol, còn lại là nước. Dung
dịch lỏng ở đáy đi ra khỏi tháp, một phần dược đun, bốc hơi ở nồi đun () cung cấp lại
cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại được làm nguội đến ( 0C) bằng thiết bị tận
dụng nhiệt đáy tháp ().
Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là Acetone, sản phẩm đáy sau
khi trao đổi nhiệt với nhập liệu được thải bỏ.

CHƯƠNG 2: CÂN BẰNG VẬT CHẤT
2.1 Cân bằng vật chất:
2.1.1

Các số liệu ban đầu:

Năng suất nhập liệu: 150 Kmol/h
Đại lượng

Nồng độ sản
phẩm đỉnh

Nồng độ
sản phẩm đáy

Nồng độ
nhập liệu

Ký hiệu
Phần mol

xD
0,99

xW
0,02

xF

0,3

Thiết bị hoạt động liên tục.
2.1.2

Xác đỉnh xuất lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy:

Phương trình cân bằng vật chất cho toàn bộ tháp chưng:
�F  D  W
�
�F �xF  D �xD  W �xW

Ta có:
Lưu lượng
nhập liệu

Lưu lượng sản
phẩm đáy

Lưu lượng sản
phẩm đỉnh

F
kmol/h

W
kmol/h

D
kmol/h

Ta có (1) và (2) ta có hệ phương trình:
�F  D  W
�
�F �x F  D �x D  W �x W
150  D  W
�
�
150 �0,3  D �0,99  W �0,02
�
�
�kmol �
�D  43,3 � h �
�
�
�
�
�kmol �
�
W  106, 7 �
�
�
�h �
�

2.1.3

Đồ thị cân bằng Acetone – Nước:

Thành phần cân bằng lỏng (x), hơi (y) tính bằng %mol và nhiệt độ sôi của hỗn

hợp hai cấu tử ở 760 mmHg ( Acetone – nước ):


x

0

5

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

y

0

60.
3

72

80.
3

82.
7

84.
2

85.
5

86.
9

88.
2

90.
4

94.

3

100

t

10
0

77.
9

69.
6

64.
5

62.
6

61.
6

60.
7

59.
8

59

58.
2

57.
5

56.
1

2.2

Chỉ số hoàn lưu tối thiểu:

Dòng nhập ở trạng thái lỏng sôi và có nồng độ đỉnh yêu cầu 0.99 phần mol.
Để xác định Rmin ta xác định điểm x= 0.99 trên đường 45o sau đó vẽ tiếp tuyến
với mặt cong của đường cân bằng Acetone – Nước, cắt trục tung tại
Y 

xD
 0, 47
Rmin  1

Rmin = 1.107

2.3

Chỉ số hoàn lưu tối ưu:

Theo Phương pháp thể tích tháp nhỏ nhất ta có: V = S.H


Với S – diện tích tiết diện ngang của tháp; H – chiều cao tháp. Mặt khác diện tích
tiết diện tháp tỉ lệ vơi lượng hơi, lượng hơi này lại tỉ lệ với lượng hoàn lưu hay S tỉ lệ
với R. Chiều cao tháp tỉ lệ với số đĩa lý thuyết Nlt. Vậy thể tích tháp tỉ lệ với giá trị
Nlt.(R+1). Lần lượt cho các giá trị R và tìm thể tích tháp, ứng với giá trị nào nhỏ nhất
của thể tích tháp thì R đó là tỉ số hoàn lưu tối ưu.
R
Nlt
(R+1)*Nl
t

1.5
18.9

1.8
14.8

2
13.4

2.2
12.5

2.4
11.8

2.5
11.5

3
10.6

3.5
9.9

4
9.6

47.25

41.44

40.2

40

40.12

40.25

42.4

44.55

48

Biểu diễn trên đồ thị:

R tối ưu
50
48
46

R tối ưu
Polynomial (R tối ưu)
Polynomial (R tối ưu)

44
42
40
38
36

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

Từ đồ thị ta xác chọn giá trị hồi lưu thích hợp R= 2.2
2.4 Phương trình đường làm việc:
Phương trình đường cất:
y

R
x
2, 2
0,99
x D 
x
 0, 688 x  0,309
R 1
R  1 2, 2  1
2, 2  1

Phương trình đường chưng:
R f
f 1
2, 2  3, 464
3, 464  1
x
xW 
x
�0, 02
R 1
R 1
2, 2  1
2, 2  1

y  1, 77 x  0, 015

y

Với

f

x D  x W 0,99  0, 02

 3, 464
xF  xW
0,3  0, 02

2.5 Số đĩa lý thuyết: Nlt = 25 (đĩa)


2.6 Xác định số mâm thực tế:
Có nhiều phương pháp xác định số mâm thực của tháp, ngoại trừ các ảnh hưởng
của thiết kế cơ khí tháp thì ta có thể xác định số mâm thực dựa vào hiệu suất trung
bình:
N tt 

N lt
ntb

Trong đó: Nt – số đĩa thực tế, Nlt - số đĩa lý thuyết, ntb – hiệu suất trung bình
của thiết bị
ntb 

n1  n2  n3  ....  nn
n

Trong đó ni - hiệu suất của các bậc thay đổi nồng độ, n - số vị trí tính hiệu suất
ntb 

nD  nF  nW
3

Với nD, nW, nF- lần lượt là hiệu suất ở đĩa trên cùng, hiệu suất ở đĩa nhập liệu và
hiệu suất ở đĩa dưới cùng
Ta có các phương trình có liên quan:


logμ hh  x D.log μ A   1  x D  .log μ N
α

(Công thức I.12 trang 84)

y 1 x
.
1  y x : độ bay hơi tương đối

Với: x là phần mol của acetone trong pha lỏng
y là phần mol của acetone trong pha hơi
μ hh sử dụng hình IX.11 trang 171 suy ra n

Nhiệt độ sôi của hỗn hợp được xác định từ đồ thị T-x-y
Độ nhớt của Acetone và nước
n: tra theo hình IX.11 trang 171

Nhiệt
độ sôi
Vị trí

Đỉnh

x

0.9
9

Nhập
0.3
liệu
0.0
Đáy
2

Độ nhớt
(10^3
Ns/m^2)

hỗn
hợp
o
C

Aceto
n

Độ nhớt
hỗn hợp
(10^3
Ns/m^2
Nước
)

0.99

56.3

0.235
9

0.498
6

0.2385

0.83
0

61

0.23

0.469

0.3973

0.26

90

0.185

0.320
5

0.3178

y

Từ bảng trên ta có

ncat 

n

1
11.3
5
17.2
2

0.238
5

0.71

4.509

0.34

5.471

0.32

0.71  0.34
 0.52
2

nchung 

0.34  0.32
 0.33
2

Vậy số mâm thực tế phần chưng là 21 , số mâm thực tế phần cất là 3, tổng số
mâm toàn tháp là 24 và mâm nhập liệu là mâm số 3.


CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
3.1 Cân bằng năng lượng cho thiết bị đun nóng đầu vào:
QH1 + QF1 = QF2 + Qng1 + Qth ,J/h
Trong đó:
Nhiệt lượng do hơi nước bão hòa mang vào:
 QH 1  H1 � r1 �1 �C1   H1 � 2677 �103  1 �C1 

Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào

Q F1 =F×C F1×t F1  4500 �3036, 6 �30  409941000

Nhiệt lượng hỗn hợp sau khi đun sôi:
Q F2 =F×C F2 ×t F2  4500 �3099 �61  850675500

Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra:
Nhiệt lượng tổn thất do mất mát ra môi trường xung quanh, 5% nhiệt
3
lượng tiêu tốn: Q th1 =0,05×H1×r1  0, 05 �H1 �2677 �10

Với:
H1: lượng hơi nước bão hòa, lượng nước ngưng, kg/h
F : lượng hỗn hợp đầu, kg/h

r1: ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước, j/kg
θ1: nhiệt độ hơi bão hòa, nhiệt độ nước ngưng, oC
tF1, tF2: nhiệt độ đầu vào, nhiệt độ đầu ra của hỗn hợp Aceton – Nước, oC
C1,CF1,CF2: nhiệt dung riêng của nước ngựng, hỗn hợp đầu vào, ra,
J/kg.độ
Khi đó lượng hơi nước cần là:


H1 

Q F1  Q F2
850675500  409941000

 173,3  kg / h 
3
r1  0, 05 �2677 �10

2677 �103  0, 05 �2677 �103

3.2 Cân bằng nhiệt lượng cho toàn tháp và thiết bị đun đáy tháp:
Q F2 +Q H2 +Q Lo =Q Y +Q W +Q th2 +Q ng2

Trong đó
Nhiệt lượng cấp vào nồi đun:
Q H2 =H 2 ×  r2 +C 2 ×θ 2   H 2 � 2173 �103  θ 2 �C 2 

Nhiệt lượng do lòng hồi lưu:
Q Lo =G Lo ×CLo ×t Lo =D×R×C Lo ×t Lo  43,3 �57,5 �2, 2 �2299 �56,3  710199605,5

Nhiệt lương hơi ra tại đỉnh tháp:
Với:

Q yđ=D×(1+R)×λ  657427, 23

λ đ  λ a �y D   1  y D  �λ n

λ a  ra  t D �Ca , λ đ  rn  t D �C n

Nhiệt lượng sản phẩm đáy mang ra:
Q w =W×C w ×t w  106, 7 �18,8 �4102 �90  300527287, 2

Nhiệt lượng nước ngưng tụ lấy ra:

Q ng2 =H 2 ×θ×C
2

2

Nhiệt lượng tổn thất do mất mát ra môi trường xung quanh, 5% nhiệt
lượng tiêu tốn:

Q xq2 = 0,05×H 2 ×r2  0, 05 �H 2 �2173 �103

Với:
H2: lượng nhiệt do hơi nước đưa vào nồi đun sản phẩm đáy, kg/h
R2: ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước, J/kg
,: lượng sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy, kg/h
: nhiệt độ của hơi bão hòa, nước ngưng, oC


tLo, tW: nhiệt đổ cùa dòng hoàn lưu, dòng sản phẩm đáy, oC
CLo, CW, C2: nhiệt dung riêng của dòng lỏng hoàn lưu, sản phẩm đáy
J
do
và nước ngưng tụ kg

: nhiệt lượng riêng của hơi đỉnh, J/kg
Khi đó lượng hơi nước bão hòa cần là:
H2 


QY  QF2  QLo  QW
r2  0, 05 �r2

657427, 23  850675500  710199605,5  300527287, 2
 2144,8 kg / h
0,95 �2176 �103

3.3 Cân bằng nhiệt cho thiết bị ngưng tụ đỉnh:
Ngưng tụ hoàn toàn hơi ở đỉnh về trạng thai lỏng sôi, ta có:

Trong đó:
Gn1: lượng nước làm mát cần tiêu tốn cho quá trình, kg/h
rd: ẩn nhiệt hóa hơi ở đỉnh tháp, J/kg
J
.do
kg
Cn1: nhiệt dung riêng của nước làm mát,

t1, t2: nhiệt độ vào, ra của nước làm mát, oC
Khi đó lượng nước cần để ngưng tụ là:
Gn1 

43,3x57, 6 �3, 2 �528011,1
 100767, 24  kg / h 
4182 � 40  30 

3.4 Cân bằng nhiệt cho thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh:
D×CD ×  t D1  t D2  =G n2 ×Cn2 ×(t n2v -t n2r )

Gn2: lượng nước làm lạnh cần tiêu tốn cho quá trình, kg/h


J
.do
kg
CD: nhiệt dung riêng của nước làm nguội,

tD1, tD2: nhiệt độ vào, ra của sản phẩm đỉnh cần làm nguội, oC
tn2r, tn2v: nhiệt độ vào, ra của nước làm nguội, oC
Khi đó lượng nước cần để làm nguội sản phẩm đỉnh là:
Gn 2 

43,3 �56, 7 �2269,5 � 56,3  30 
4177,5 � 40  20 

 1754  kg / h 

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ THIẾT BỊ CHÍNH
4.1. Đường kính tháp
D=0.0188

g tb
(ρ y ω y ) TB

(1)

Với:

Ký hiệu
Đơn vị

Lượng hơi
trung bình
gtb
kg/h

Tốc độ khí trung bình trong tháp
y
m/s

Ta tính cho phần chưng và phần luyện riêng
4.1.1. Lượng hơi trung bình đi trong từng tháp
 Đoạn cất
g tb =

g đ +g1
2 (2)

Với:
g đ : lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng(kmol/h)
g1 : lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của phần luyện (kmol/h)

g đ =G Lo +G D =G D ×  R+1 = 43,3×57,6×  2,2+1 =475,3  kmol / h 

Giải hệ phương trình:
(3)



Tốc độ
khối lượng
(yy)tb
kg/m2.s


g tb =

Vậy:

7981,06+4748,00
=6364,53 kg/h
2

 Đoạn chưng
(4)
Với:
g'1 : lượng hơi đi vào đoạn chưng(kmol/h)
g1 : lượng hơi đi ra đĩa trên cùng của phần chưng (kmol/h)

g1 =4748.00  kmol / h 

Giải hệ phương trình:


(5)


g tb =

Vậy:

4748,00+3162,00
=3955,00 kg/h
2

4.1.2. Đương kính tháp:

Đường kính đoạn cất
D=0,0188

6364,53
=1,36  m 
1,225

Chọn đường kính phần luyện là 1,2 (m)
Vận tốc hơi đi trong tháp:

  
y

y tb



 0, 065 �    � h � xtb � ytb kg / m 2 �s



[I.184]

x: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng: ’x = 771,77 (kg/m3 )
y : khối lượng riêng trung bình của pha hơi: ’y = 1,80 (kg/m3)
h : khoảng cách mâm ( m ), chọn h = 0.4
[] : hệ số tính đến sức căng bề mặt
= + [I.76) (acetone , nuoc tra ở bảng I.242- Sổ tay tập một )
hh = 14.23 < 20 dyn/cm
Nên theo sổ tay tập hai : [] = 0.8



  
y

y tb

Đường kính đoạn chưng

 0, 065 �0,8 � 0, 4 �771, 77 �1,8  1, 225


D=0,0188

3955
=1,16  m 
1,035

Chọn đường kính đoạn chưng là 1.2 (m)
Với khoảng các giữa hai mâm là 0,4 (m)
Vận tốc hơi đi trong tháp:

  
y

y tb

 0,065 �    � h � xtb � ytb  kg / m 2 �s 

[I.184]

x: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng: ’x = 830,63 (kg/m3 )
y : khối lượng riêng trung bình của pha hơi: ’y = 1,18 (kg/m3)
h : khoảng cách mâm ( m ), chọn h = 0,4
[] : hệ số tính đến sức căng bề mặt
= + [I.76) (acetone , nuoc tra ở bảng I.242- Sổ tay tập một )
hh = 14.23 < 20 dyn/cm
Nên theo sổ tay tập hai : [] = 0.8
     0,065 �0,8 � 0, 4 �830,63 �1,18  1, 035
 y y tb
4.2. Chiều cao tháp
Chiều cao tháp được xác định theo công thức sau:
Ho = Ntt (Hd + ) + 2,4 ( m ) (IX.54 – II.169)
Với Ntt: Số mâm thực tế = 24
 : Chiều dày của mâm, chọn  = 4 (mm) = 0,004 (m)
Hd : khoảng cách giữa các mâm (m) , chọn theo bảng IX.4a- sổ tai tập
hai, Hd = 0,4 ( m )
2: khoảng cách cho phép ở đỉnh và đáy
 Ho = 24×(0,4 + 0,004)+2 = 12,096 (m)
4.3. Tính toán chóp và ống chảy chuyền
Chọn đường kính ống hơi dh = 75(mm) = 0,075 (m)
Số chóp phân bố trên đĩa :


1, 22
2
N = 0,1 = 0,1× 0, 075 = 26 (chóp)

(IX.212 – II.236)

(D : đường kính trong của tháp)
Chiều cao chóp phía trên ống dẫn hơi :
h2 = 0,25×dh = 0,0125 (m)

(IX.213 – II.236)

Đường kính chóp:
dch =

d h2  (d h  2 � ch )2

(IX.214 – II.236)

ch : chiều dày chóp, chọn bằng 2 (mm)
 dch =

752  (75  2 �2)2

= 109 (mm)

Chọn dch = 109 (mm)
Khoảng cách từ mặt đĩa đến chân tháp :
S = 0  25 (mm), chọn S = 12,5 (mm)
Chiều cao mực chất lỏng trên khe chóp :
h1 = 15  40 (mm), chọn h1 = 30 (mm)
Tiết diện tháp :
D2
1, 22
F = × 4 = 3,1416× 4 =1,13 (m2)

Bước tối thiểu của chóp trên mâm :
tmin = dch + 2×ch + l2

(IX.220 - II.237)

l2: khỏang cách nhỏ nhất giữa các chóp
chọn l2 = 35 (mm)
 tmin =109 + 2×2 + 35 = 148 (mm)
4.3.1
Tính toán cho chóp
Chiều cao khe chóp
b

 � y2 � y
g � x

(IX.215 – II.236)

: hệ số trở lực của đĩa chóp  = 1,5  2
4 �Vy
2
y: tốc độ hơi. Với: y = 3600 � �d h �n


gtb
Vy: lưu lượng hơi đi trong tháp. Với: Vy = tb

Chiều rộng khe chóp: a = 2 : 7 mm
Số lượng khe hở của mỗi chóp :

i=

d h2 �
 �
��d ch 
�
c �
4 �b �

(IX.216 – II.236)

c = 3  4 mm ( khoảng cách giữa các khe ) , chọn c = 3 (mm)
Tính cho phần cất :
Hệ số trỡ lực

Tốc độ hơi

Lưu lượng hơi Chiều rộng

Số khe hở

Ký hiệu



y (m/s)

Vy (m3/h)

a (mm)

i

Giá trị

2

8,57

3543,24

5

41

Tính cho phần chưng :
Hệ số trỡ lực

Tốc độ hơi

Lưu lượng hơi Chiều rộng

Số khe hở

Ký hiệu



y (m/s)

Vy (m3/h)

a (mm)

i

Giá trị

2

8,09

3345,35

7

37

Chiều cao lớp chất lỏng trên mâm :
hm = h1 + ( S + hsr + b ) = 30 + 12,5 + 5 + 19 = 66.5 (mm)
hsr : khoảng cách từ mép dưới của chóp đến mép dưới của khe chóp
chọn hsr = 5 mm
Tiết diện ống hơi:
 �d ht2
 �0, 0752
4
Srj = S1= 4 =
= 0,004418 (m2)

Tiết diện hình vành khăn:

 � d ch2  d h2 

Saj = S2 =

4



 � 109 2  752 
4

 0, 004913

Tổng diện tích các khe chóp:
Phần cất
S3 = i×a×b = 41×0.005×0,028 =0,005741 (m2)
Phần chưng

(m2)


S3 = i×a×b = 37×0,007×0.016 =0,004144 (m2)
Tiết diện lỗ mở trên ống hơi:
S4 = .dhơi×h2 = 3,1416 ×0,075×0,01875
= 0,004418 (m2)
Nên ta có S1  S2  S3  S4
Lỗ tháo lỏng :
Tiết diện cắt ngang của tháp F = 1,13 m2
Cứ 1 m2 chọn 4 cm2 lỗ tháo lỏng . Do đó tổng diện tích lỗ tháo lỏng trên một
1,13 �4

mâm là: 1
= 4,524 cm2

Chọn đường kính lỗ tháo lỏng là 5mm = 0.5cm
4,524
4
 �D 2
Nên số lỗ tháo lỏng cần thiết trên một mâm là : 4
lỗ

Vậy khoảng cách giữa hai mâm là 0.4 m là hợp lý.
Độ mở lỗ chóp hs :
� y
�
�  
y
hs = 7,55× � x

1

2

2
3
3
�
�
V �
�H s3 �� G �
�

�
�S s �
�

Phần cất
Hs = hso = b = 35 (mm)
VG = Vy = 0,984 (m3/s)
Ss = n×S3= 26×0,004918 = 0,128 (m2)
1

2

2
3
3
� 1, 796
�
�0,984 �
3
�
28
��
�771, 77  1, 796 �
�
�
�0,167 �= 30,19(mm)
hs = 7,55× �

hs 30,19


h
28  1 : hợp lý
so
Nên ta có

Phần chưng
Hs = hso = b = 19 (mm)
VG =

Vy,

= 0,929 (m3/s)


Ss = n×S3= 26×0,004918 = 0,128 (m2)
1

2

2
3
3
� 1,1 �
�0,929 �
3
�
16
�
�
�

�0,120 �
�
�= 20,6(mm)
hs = 7.55× �830  1,1 �

hs 20, 6

h
16  1 : hợp lý
so
Nên ta có

4.3.2
Tính chi tiết ống dẫn
Đường kính ống dẫn:
4Qy

d

v

Lưu lượng:
Q

G
3600 

Chiều dài ống: Theo sổ tay tập hai – Bảng XIII-32
Đường kính ống dẫn hơi vào thiết bị ngưng tụ :

Ký hiệu
Giá trị

Lưu lượng
hơi ra khỏi tháp
Qy (m3/s)
1,04

Vận tốc hơi
v (m/s)
21

Đường
kính
d (mm)
250

Chiều dài ống
l (mm)
140

Ống dẫn dòng chảy hoàn lưu :

Ký
hiệu
Giá trị

Lưu lượng
khối lượng

Lưu lượng
hoàn lưu

Vận tốc

Đường
kính

Chiều dài ống

G (kg/h)

Q (m3/s)

v (m/s)

d (mm)

l (mm)

5487

0,002

1,8

32

90

Lưu lượng
khối lượng

Lưu lượng
thể tích

Vận tốc

Đường
kính

Chiều dài ống

G (kg/h)

Q (m3/s)

v (m/s)

d (m)

l (m)

4500

0,0015

1,8

32

90

Ống dẫn dòng nhập liệu :

Ký
hiệu
Giá trị

Ống dẫn dòng sản phẩm đáy :

Ký
hiệu
Giá trị

Lưu lượng
khối lượng

Lưu lượng
thể tích

Vận tốc

Đường
kính

Chiều dài ống

G (kg/h)

Q (m3/s)

v (m/s)

d (m)

l (m)

5168

0,0015

1,8

32

90


Ống dẫn từ nồi đun qua tháp :
Lưu lượng
khối lượng

Lưu lượng
thể tích

Ký
g (kg/h)
Q (m3/s)
hiệu

Giá trị
3162
1,39
4.4. Tính trở lực tháp

Vận tốc

Đường
kính

Chiều dài ống

v (m/s)

d (m)

l (m)

27

250

140

Trở lực tháp chóp được xác định theo công thức :
P = Ntt × Pđ ( N/m2)

(IX.235 – II.192)

Ntt: số mâm thực của tháp

Pđ: tổng trở lực qua một mâm
Ở phần chưng và phần cất, trở lực qua các đĩa không đồng đều. Do đó để chính
xác, trở lực sẽ được tính riêng cho từng phần .
4.4.1 Tổng trở lực phần cất :
Tổng trở lực qua một dĩa :
Pđ = Pk + Ps +Pt
Trở lực đĩa khô Pk :

(IX.136 – II.192)

 � y �02
2
Pk =
( N/m2)

(IX.137 – II.192)

 : hệ số trở lực đĩa khô,  = 4,5 : 5 , chọn  = 5
y = ’y = 1,796 ( Kg/m3)
o : vận tốc hơi qua rãnh chóp ( m/s )
mam
3 �1, 796 �8, 7032
2
o = 10  O = 8,703 (m/s)  Pk =
= 340,09 (N/m2)
Trở lực do sức căng bề mặt :
4 �
Ps = dtd

[II.193]

: sức căng bề mặt trung bình của hỗn hợp
=+
 hh = 0.01464 (N/m)
dtd: đường kính tương đương của khe rãnh :
4 �5 �28
dtd = = = 2 �(5  28) =8,48


fx: diện tích tiết diện tự do của rãnh
H: chu vi rãnh
Ps 

4 �0, 01464
 6,9
0, 00848
(N/m2)


Trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa ( Trở lực thủy tĩnh Pt )
h
Pt = b×g×( hb – 2 ) (N/m2)

b : khối lượng riêng của bọt, thường b = ( 0,4  0,6 )×x
Chọn b = 0,5x = 0,5x771,77 ( Kg/m3) = 385,88 ( Kg/m3)
hr : chiều cao của khe chóp (m), hr = b = 28 (mm)
hb : chiều cao lớp bọt trên đĩa (m)
(hc    hx ) �( F  f ) � x  hx �b �f  (hch  hx ) �f �b
F �b
hb =

hc : chiều cao đoạn ống chảy chuyền nhô lên trên đĩa
Chọn hc = 0,05 (m)
hx : chiều cao lớp chất lỏng ( không lẫn bọt ) trên đĩa
hx = S + 0,5×b = 0,0125 + 0,5×0,028 = 0,0265 (m) = 26,5 (mm)
F : phần diện tích bề mặt đĩa có gắn chóp ( nghĩa là trừ hai phần diện tích đĩa
để bố trí ống chảy chuyền )
Fo = F – 2Sd = 0,905 (m2)
f

: tổng diện tích các chóp trên đĩa
3

f = 0,785 dch2 ×n = 0,785×(0,109× 10 )2×29 = 0,291 (m2)
hch : chiều cao của chóp
hch = 0,05 +  = 0,05 + 0,0072= 0,0572 (m)


hb 

(0, 05  0, 0072  0, 0265) �(0,905  0.291) �771, 77  0, 0265 �385,88 �0, 291
0,905 �385,88
(0, 0572  0, 0265) �0, 291�385,88
0,905 �385,88
+

= 0,060 (m)
0, 035 �
�
0, 0449 

�
�
2 �= 174,28 (N/m2)
 Pt = 385,88×9,81× �

o Tổng trở lực qua một đĩa :
Pđ = Pk + Ps +Pt


= 340,09 + 6,60 + 174,28 = 521,28 (N/m2)
o Tổng trở lực phần cất:
Pcat  N cat �Pd ,cat  21�521, 28  10946,87( N / m 2 )

4.4.2 Tổng trở lực phần chưng :
Tổng trở lực qua một đĩa :
Pđ = Pk + Ps +Pt
Trở lực đĩa khô Pk :

(IX.136 – II.192)

 � y �02
2
Pk =
(N/m2)

(IX.137 – II.192)

: hệ số trở lực đĩa khô,  = 4.5 : 5 , chọn  = 5
y = ’y = 1,18 (kg/m3)
o: vận tốc hơi qua rãnh chóp ( m/s )

mam
3 �1,18 �8, 22 2
2
o = 10  O = 8,22 (m/s)  Pk =
= 199,57 (N/m2)
Trở lực do sức căng bề mặt :
4 �
Ps = dtd

[II.193]

: sức căng bề mặt trung bình của hỗn hợp
=+
 hh = 0,0133 (N/m)
dtd : đường kính tương đương của khe rãnh :
4 �a �b
4 �7 �16
4 �f x
dtd = H = 2 �(a  b) = 2 �(7  16) =9,74 (mm)

fx : diện tích tiết diện tự do của rãnh
H : chu vi rãnh
4 �0, 0133
 5, 46
 Ps = 0, 00974
(N/m2)

Trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa ( Trở lực thủy tĩnh Pt )
� hr �
hb  �

�
Pt = b×g× � 2 �(N/m2)

b: khối lượng riêng của bọt, thường b = ( 0,4  0,6 )×x
Chọn b = 0,5×x = 0,5×830,63 (kg/m3) = 415,317 (kg/m3)


hr: chiều cao của khe chóp (m), hr = b = 16 (mm)
hb: chiều cao lớp bọt trên đĩa (m)
hb =
hc: chiều cao đoạn ống chảy chuyền nhô lên trên đĩa
Chọn hc = 0,05 (m)
hx: chiều cao lớp chất lỏng ( không lẫn bọt ) trên đĩa
hx = S + 0,5b = 0,0125 + 0,5×0,016 = 0,0205 (m)
F: phần diện tích bề mặt đĩa có gắn chóp ( nghĩa là trừ hai phần diện tích đĩa
để bố trí ống chảy chuyền )
Fo = F – 2×Sd = 0,905 (m2)
f : tổng diện tích các chóp trên đĩa
f = 0.785×dch2 ×n = 0.785×(0.109/1000)2×29 = 0,291 (m2)
hch : chiều cao của chóp
hch = 0,05 +  = 0,05 + 0,0138= 0,0638 (m)
(0, 05  0, 0138  0, 0205) �(0,905  0, 291) �830, 63  0, 0205 �415,317 �0, 291
0,905 �415,317
 hb =
(0, 0638  0, 02025) �0, 291�415,317
0,905 �415,317
+

= 0,0792 (m)
0, 016 �

�
0, 0792 
�
�
2 �= 290,10 (N/m2)
 Pt = 415,317×9.81× �

o Tổng trở lực qua một đĩa :
Pđ = Pk + Ps +Pt
= 199,57 + 5,46 + 290,10 = 495,13 (N/m2)
o Tổng trở lực phần chưng:
Pchưng = Ntt.chưng×Pđ.chưng = 3×495,13 = 1485,4 (N/m2)
** Kiểm tra lại khoảng cách mâm h = 0,4 m đảm bảo điều kiện hoạt động bình
Pd
thường của tháp: h > 1,8×  x �g

Vì Pđ-cất > Pđ-chưng nên ta lấy Pđ-cất để kiểm tra :
521, 28
1.8× 830 �9,81 =0,115 < 0,4 thỏa

Vậy chọn h= 0,4 là hợp lý.
CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN CƠ KHÍ THIẾT BỊ CHÍNH