Thiết kế thiết bị ngưng tụ trong hệ thống tháp mâm xuyên lỗ hoạt động liên tục ở áp suất thường chưng cất hỗn hợp acetonnước

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC



ĐỒ ÁN THIẾT KẾ MÁY VÀ THIẾT BỊ

THIẾT KẾ THIẾT BỊ NGƯNG TỤ TRONG HỆ
THỐNG THÁP MÂM XUYÊN LỖ CHƯNG CẤT
HỖN HỢP ACETON – NƯỚC HOẠT ĐỘNG
LIÊN TỤC Ở ÁP SUẤT THƯỜNG
GVHD: PGS.TS Vũ Bá Minh
SVTH:

MSSV

Nguyễn Yến Nhi

17128047

Trương Thị Khánh Vân

17128085

TP. Hồ Chí Minh – 07/2020
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM
KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT HÓA HỌC

---oOo---

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ MÁY VÀ THIẾT BỊ
Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Vũ Bá Minh
Họ và tên sinh viên thực hiện:

MSSV


1. Nguyễn Yến Nhi
2. Trương Thị Khánh Vân

17128047
17128085
1. Tên đồ án: THIẾT KẾ THIẾT BỊ NGƯNG TỤ TRONG HỆ THỐNG THÁP MÂM
XUYÊN LỖ HOẠT ĐỘNG LIÊN TỤC CHƯNG CẤT HỖN HỢP ACETON NƯỚC Ở ÁP SUẤT THƯỜNG
2. Nhiệm vụ của đồ án: Giới thiệu tổng quan, tính toán cân bằng vật chất, cân bằng
3.

4.

5.

6.
7.
8.

năng lượng, tính toán thiết kế hệ thống, thiêt bị chính và phụ.
Các số liệu ban đầu:
Năng suất nguyên liệu: 4.000 kg/h.
Nhập liệu có nồng độ là 25 % mol Aceton.
Nồng độ sản phẩm đỉnh là 95% mol Aceton.

Tỷ lệ thu hồi Aceton là 99%.
Các số liệu khác tự chọn.
Yêu cầu về phần thuyết minh và tính toán:
Tổng quan về sản phẩm và quá trình – thiết bị chưng cất, thiết bị ngưng tụ.
Đề nghị quy trình chưng cất.
Tính cân bằng vật chất, năng lượng.
Tính toán số mâm lý thuyết tháp chưng cất.
Tính toán cấu tạo thiết bị ngưng tụ.
Tính các thiết bị phụ có trong quy trình.
Tính khối lượng vật tư và chi phí chế tạo thiết bị ngưng tụ.
Yêu cầu về trình bày bản vẽ:
01 bản vẽ qui trình khổ A1 (bản khổ A4 kẹp trong tập thuyết minh).
1 bản vẽ cấu tạo thiết bị ngưng tụ khổ A1.
Yêu cầu khác: Thực hiện và thông qua đồ án đúng tiến độ.
Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 05/04/2020
Ngày hoàn thành đồ án: 31/01/2020

Nội dung và yêu cầu đồ án đã được thông qua Bộ môn.
Ngày 31 tháng 07 năm 2020
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
(Ký và ghi rõ họ tên)

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ tên )

PGS. TS Vũ Bá Minh


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM
KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
---oOo---

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Vũ Bá Minh
Họ và tên sinh viên thực hiện:
1. Nguyễn Yến Nhi
2. Trương Thị Khánh Vân

MSSV
17128047
17128085

Tên đồ án: THIẾT KẾ THIẾT BỊ NGƯNG TỤ TRONG HỆ THỐNG THÁP
MÂM XUYÊN LỖ HOẠT ĐỘNG LIÊN TỤC CHƯNG CẤT HỖN HỢP
ACETON - NƯỚC Ở ÁP SUẤT THƯỜNG
1 Nhận xét về nội dung các phần thuyết minh:
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................


.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
2 Nhận xét về các bản vẽ thiết kế:
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................

.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
3 Nhận xét về quá trình thực hiện thiết kế của sinh viên (kỹ năng, thái độ):
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
4 Điểm số:

1……………………………………………… Điểm: …………………
2……………………………………………… Điểm: …………………
5 Kết luận (cho phép bảo vệ/không cho phép bảo vệ):

TP. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2020
GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

PGS.TS Vũ Bá Minh


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM
KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

---oOo---

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Vũ Bá Minh
Họ và tên sinh viên thực hiện:
1. Nguyễn Yến Nhi
2. Trương Thị Khánh Vân

MSSV
17128047
17128085

Tên đồ án: THIẾT KẾ THIẾT BỊ NGƯNG TỤ TRONG HỆ THỐNG THÁP
MÂM XUYÊN LỖ HOẠT ĐỘNG LIÊN TỤC CHƯNG CẤT HỖN HỢP
ACETON - NƯỚC Ở ÁP SUẤT THƯỜNG
1. Nhận xét về nội dung các phần thuyết minh:

.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
2. Nhận xét về các bản vẽ thiết kế:

.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................

.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
3. Nhận xét về kỹ năng trình bày:
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................


.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
4. Điểm số:
1……………………………………………… Điểm: …………………
2……………………………………………… Điểm: …………………
5. Kết luận (cho phép bảo vệ/không cho phép bảo vệ):

TP. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2020
GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN

TS. Lê Thị Duy Hạnh

LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian tìm hiểu và phối hợp cùng với sự hướng dẫn tận tâm của thầy Vũ Bá
Minh, chúng em đã hoàn thành đồ án của mình. Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy
Vũ Bá Minh đã truyền đạt kiến thức cũng như chỉ dẫn tận tình trong suốt quá trình

hoàn thành đồ án.
Đồ án là tâm huyết cùng sự cố gắng không ngừng nghỉ của cả hai thành viên trong
nhóm. Tuy vậy, do dự chi phối của nhiều môn học khác song song, cùng với sự hiểu


biết chưa đầy đủ và rõ ràng chắc chắn trong quá trình hoàn thành đồ án không thể
không có sai sót. Chúng em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến từ thầy Vũ Bá
Minh và các giảng viên phản biện để chúng em hoàn thành đồ án một cách tốt nhất.
Chúng em xin chân thành cảm ơn !

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1 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)...................................................16
Bảng 3.1. Cân bằng vật chất cho tháp chưng cất.........................................................21
Bảng 3.2 Mối quan hệ R và Nlt....................................................................................23


Bảng 3.3 Bảng giá trị cần thiết để tính toán số mâm thực tế........................................27
Bảng 4.1 Nhiệt dung riêng Aceton và Nước tại các nhiệt độ.......................................28
Bảng 4.2 Nhiệt hóa hơi của Aceton và Nước tại nhiệt độ đỉnh....................................28
Bảng 5.1 Thông số vật lý của nước tại nhiệt độ trung bình 35,4 oC.............................34
Bảng 5.2 Các thông số cơ bản của mặt bích................................................................45
Bảng 5.3 Thông số của bích ghép các ống dẫn............................................................49
Bảng 5.2 Các thông số chân đỡ thiết bị.......................................................................50
Bảng 7.1 Bảng tính khối lượng vật tư và chi phí.........................................................74

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Bình ngưng ống chùm nằm ngang NH3......................................................8

Hình 1.2 Bình ngưng Freon.......................................................................................8
Hình 1.3 Bình ngưng ống vỏ thẳng đứng..................................................................10
Hình 1.4 Thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống..........................................................11
Hình 1.5 Thiết bị ngưng tụ kiểu tấm bản...................................................................11
Hình 1.6 Thiết bị ngưng tụ kiểu bay hơi....................................................................12


Hình 1.7 Dàn ngưng kiểu tưới...................................................................................13
Hình 1.8 Dàn ngưng không khí đối lưu tự nhiên.......................................................14
Hình 1.9 Dàn ngưng không khí đối lưu cưỡng bức...................................................15
Hình 2.1 Đồ thi quan hệ giữa thành phần và nhiệt độ của Aceton – Nước................16
Hình 2.2 Đồ thị đường cân bằng Aceton – Nước.......................................................17
Hình 3.1 Đồ thị xác định Rmin theo phương pháp vẽ tiếp tuyến.................................21
Hình 3.2 Đồ thị sự phụ thuộc của R theo Nlt(R+1)..................................................23
Hình 3.3 Đồ thị xác định số mâm lý thuyết R tối ưu là 0,9........................................24
Hình 5.1 Chân đỡ thiết bị nằm ngang........................................................................50


LỜI MỞ ĐẦU
Công nghiệp hóa chất là một ngành công ngiệp tương đối trẻ nhưng phát triền nhanh
và đóng vai trò là ngành sản xuất mũi nhọn trong hệ thống các ngành công nghiệp
nước ta nói riêng và thế giới nói chung. Đặc biệt là ngành công nghiệp hóa chất cơ
bản.
Hiện nay, lượng hóa chất sử dụng ngày càng tăng mạnh do sự phát triển của các ngành
dược mỹ phẩm, thức ăn gia súc, nghiên cứu sản phẩm… Các ngành này yêu cầu loại
hóa chất có độ tinh khiết cao, hoạt tính ổn định và độ bền. Vì vậy nhu cầu sản xuất ra
các hóa chất tinh khiết theo đó mà tăng cao.
Ngày nay, có nhiều phương pháp để nâng cao độ tinh khiết: trích ly, chưng cất, cô đặc,
hấp thu… Tùy theo đặc tính và yêu cầu của sản phẩm mà ta có thể lựa chọn phương
pháp sao cho phù hợp. Đối với hỗn hợp hệ Aceton-Nước là hai cấu tử tan lẫn hoàn

toàn ta phải áp dụng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho Aceton.
Thiết bị ngưng tụ là một trong những thiết bị chính trong quy trình chưng cất Aceton.
Ngoài ra thiết bị ngưng tụ còn đóng vài trò quan trọng trong nhiều ngành khác nhau
như: chưng cất rượu, tinh dầu, chưng cất thành phần đa cấu tử trong tinh luyện chế
biến dầu khí, ứng dụng trong ngành kỹ thuật lạnh dùng để ngưng tụ các môi chất lạnh
phục vụ cho hệ thống lạnh làm việc, ứng dụng trong lĩnh vực cô đặc dùng để ngưng tụ
dung môi trước khi bơm hút chân không thải ra ngoài, ngoài ra nó còn ứng dụng trong
công, nông nghiệp,…
Đồ án môn học quá trình và thiết bị là một môn học mang tính tổng hợp quá trình học
tập để trở thành một kỹ sư công nghệ kỹ thuật hóa học trong tương lai. Môn học giúp
10


sinh viên giải quyết các vấn đề tính toán cụ thể về: yêu cầu công nghệ, kết cấu giá
thành của một thiết bị công nghệ sản xuất hóa chất. Đây cũng là bước đầu tiên để sinh
viên vận dụng những kiến thức đã thu thập được từ nhiều môn học giải quyết nhũng
vấn đề kỹ thuật thực tế một cách tổng hợp.Nhiệm vụ của đồ án môn học là thiết kế
thiết bị ngưng tụ trong hệ thống tháp mâm xuyên lỗ hoạt động liên tục để chưng cất
hỗn hợp Aceton và nước ở áp suất thường với năng suất nhập liệu: 4000 Kg/h có nồng
độ 25% mol Aceton, thu được sản phẩm đỉnh có nồng độ 95% mol Aceton, và độ thu
hồi Aceton là 99%.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu đồ án
Đầu đề đồ án: Thiết kế thiết bị ngưng tụ trong hệ thống tháp mâm xuyên lỗ hoạt động
liên tục để chưng cất hỗn hợp Aceton - Nước ở áp suất thường.
Số liệu ban đầu:
Năng suất nguyên liệu: 4000 Kg/h
Nhập liệu có nồng độ là 25% mol Aceton
Nồng độ sản phẩm đỉnh là 95% mol Aceton

Tỷ lệ thu hồi Aceton là 99%
Các số liệu khác tự chọn.
1.2. Tổng quan về Aceton
1.2.1.

Giới thiệu sơ bộ về Aceton

Aceton có công thức phân tử là (CH3)2CO. Khối lượng phân tử bằng 58 đvC.
Aceton là một chất lỏng không màu, dễ lưu động, dễ cháy và có mùi thơm êm diệu. Nó
hòa tan vô hạn trong nước và một số hợp chất hữu cơ như: eter, metanol, ethanol,
diaceton alcohol…
Ứng dụng : Aceton phần lớn được làm dung môi nhất là trong ngành công nghiệp sản
suất nhựa, vecni, sơn, sơn mài, cao su, chất dẻo, cellulose acetate....Nó hòa tan tốt tơ
acetate, nitroxenlulo, nhựa phenol formaldehyde, chất béo, dung môi pha sơn, mực in
ống đồng. Nó ít độc nên còn được sử dụng làm dung môi trong công nghiệp sản xuất
dược phẩm và thực phẩm. Aceton được dùng làm nguyên liệu để tổng hợp một lượng
lớn các hợp chất như ceten, izopren, sumfonat ( thuốc ngủ ), các holofom… Ngoài ra
Aceton còn là dung môi dùng để làm sạch trong các phòng thí nghiệm. Aceton là
11


nguyên liệu để tổng hợp thủy tinh hữu cơ. Aceton được tìm thấy đầu tiên vào năm
1595 bởi Libavius, bằng chưng cất khan đường và đến năm 1805 Trommsdorff tiến
hành sản xuất Aceton bằng cách chưng cất Acetate của bồ tạt và soda: một phân đoạn
lỏng nằm giữa phân đoạn rượu và eter.
Một số thông số hóa lý của Aceton :
Nhiệt độ nóng chảy : -94,60C
Nhiệt độ sôi : 56,90C
Nhiệt dung riêng Cp : 22 Kcal/mol ( chuẩn ở 102oC)
Độ nhớt : 0,316 cP (ở 250C)

Nhiệt trị : 0,5176 cal/g (ở 200C)
1.2.2.

Tính chất hóa học của Acetone

Aceton có khả năng tham gia phản ứng cộng với khí H2 và HCN:

Tham gia phản ứng thế với Br2 tại gốc hydrocarbon:

Aceton khó bị oxy hóa bởi thuốc thử Pheling, Toluene, HNO 3 đậm đặc, KMnO4,..Chỉ
bị oxy hóa bởi hỗn hợp KMnO4 + H2SO4, Sunfocromic, K2Cr2O7 + H2SO4…
Các phương pháp điều chế Aceton
Oxy hóa rượu bậc hai :

Theo phương pháp Piria : nhiệt phân muối canxi của acid cacboxylic:
(CH3COO)2Ca  CH3COCH3 + CaCO3

12


1.2.3. Phương pháp sản xuất Aceton
1.2.3.1. Phương pháp sản xuất hiện hành
Aceton được sản xuất trực tiếp hoặc gián tiếp từ Propene. Khoảng 83% Aceton được
sản xuất thông qua phương pháp Cumen và vì sản phẩm từ phương pháp này mà sản
xuất Acetone luôn gắn liền với sản xuất phenol. Phương pháp Cumen gồm việc alkyl
hoá benzen với propen, sinh ra Cumen, được oxy hoá, sinh ra Aceton và Phenol.
Aceton còn được sản xuất trực tiếp bằng cách oxy hay hidro hoá Isopren, sinh ra 2Propanol (Isopropanol), và khi oxy hoá Isopropanol sẽ được Aceton.
Ngoài ra còn một số quá trình sản xuất Aceton khác như: oxy hóa trực tiếp Butan –
Propan, lên men Carbo hydrate bởi vi khuẩn đặc biệt.
Bên cạnh đó vì Acetone là sản phẩm phụ của quá trình lên men, nên đôi khi cũng được

sản xuất dưới dạng sản phẩm phụ của công nghiệp chưng cất.
1.2.3.2. Phương pháp cũ
Trước đây, Aceton được sản xuất bằng cách chưng cất Acetate, ví dụ như Canxi
acetate ở phản ứng khử carboxyl.
Ca(CH3COO)2 → CaO + CO2↑ + (CH3)2CO
Trước đó, trong thời gian chiến tranh thế giới lần 2, Aceton được sản xuất bằng cách
lên men Aceton-Ethanol với vi khuẩn Clostridium acetobutylicum, phát hiện
bởi Chaim Weizmann (sau này là tổng thống đầu tiên của Israel) để giúp các nỗ lực
gây chiến của Anh bằng cách chuẩn bị thuốc nổ không khói. Sau khi phát minh
phương pháp mới với sản lượng tốt hơn thì phương pháp lên men Aceton-Ethanol đã
bị lãng quên.
1.3.

Tổng quan về Nước

Nước là một hợp chất hóa học của oxygen và hydrogen có công thức phân tử là H 2O,
là chất lỏng không màu, không mùi, không vị.
Nước là một chất quan trọng được ứng dụng nhiều trong nhiều ngành khoa học (là
dung môi phân cực mạnh, có khả năng hòa tan nhiều chất) và đời sống.
Một số thông số hóa lý của nước :
Nhiệt độ nóng chảy: 0oC
Nhiệt độ sôi ở 1 atm (760 mmHg): 100oC
Khối lượng mol: 18,015 g/mol
13


Tỷ trọng: 998,23 kg/m3 (xét tại 20 oC, tài liệu tham khảo [1] trang 11)
Độ nhớt: 1 Cp ( 20oC )
Nhiệt dung : J/molK
Nước rất cần thiết cho sự sống và là hợp chất chiếm phần lớn trên trái đất (

¾ diện tích

trái đất là nước biển ).
1.4. Tổng quan về quá trình - thiết bị chưng cất
1.4.1. Quá trình 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. 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 cấu tử có độ bay hơi lớn ( nhiệt độ sôi nhỏ ), sản phẩm
đáy chủ yếu gồm có cấu tử có độ bay hơi bé (nhiệt độ sôi lớn). Đối với hệ AcetonNước sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm Aceton và một ít nước, ngược lại sản phẩm đáy chủ
yếu gồm nước và một ít Aceton.
Ngày nay, quá trình chưng cất được ứng dụng rộng rãi để tách các hỗn hợp:
Dầu mỏ, tài nguyên được khai thác ở dạng lỏng.
Không khí hóa lỏng được chưng cất ớ nhiệt độ -1900C để sản xuất nitơ.
Công nghệ sinh học thường cho sản phẩm là chất lỏng như etylic-nước từ quá
trình lên men.
Phân loại: theo các tiêu chí sau
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.
Số lượng cấu tử trong hỗn hợp: hệ hai cấu tử, hệ ba cấu tử hoặc số cấu tử ít hơn mười
và hệ nhiều cấu tử (nhiều hơn mười cấu tử).
Phương thức làm việc: liên tục hoặc gián đoạn (chưng cất đơn giản)

14


Chưng cất đơn giản (gián đoạn): phương pháp này được 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, nhiều đoạn.
Ngoài ra còn nhiều phương pháp chưng cất khác: chưng cất trực tiếp bằng hơi nước,
chưng trích ly hoặc chưng đẳng phí…
Vậy đối với hệ Aceton – Nước ta chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp nhiệt gián
tiếp bằng nồi đun ở áp suất thường.
1.4.2. Thiết bị chưng cất

Trong sản xuất người ta dùng nhiều loại khác nhau để thực hiện quá trình chưng cất.
Tuy nhiên yêu cầu chung của các thiết bị là có diện tích bề mặt tiếp xúc pha lớn (điều
này phụ thuộc vào mức độ phân tán của lưu chất này vào lưu chất kia) để tăng hiệu
suất của quá trình. Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta có các loại tháp mâm, nếu
pha lỏng phân tán vào pha khí ta có tháp chêm, tháp phun,… Các thiết bị thường dùng
là:
Thiết bị loại bề mặt
Thiết bị loại màng
Thiết bị loại phun
Thiết bị loại đệm (tháp đệm)
Thiết bị loại đĩa (tháp đĩa)
Tháp chưng cất rất phong phú về kích cỡ và ứng dụng. Các tháp lớn nhất thường được
ứng dụng trong công nghiệp lọc hố dầu. Kích thước của tháp: đường kính tháp và

chiều cao tháp tùy thuộc vào suất lượng pha lỏng, pha khí của tháp và độ tinh khiết của
sản phẩm.
Dựa theo đề bài ta chọn hệ thống tháp mâm xuyên lỗ hoạt động liên tục ở áp suất
thường.

15


Tháp mâm có 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 có pha lỏng và
pha hơi được cho tiếp xúc với nhau.
Tháp mâm xuyên lỗ có nhiều lỗ hay rãnh, đường kính lỗ từ 3-12 mm, tổng tiết diện các
lỗ trên mâm chiếm 8-15% tiết diện tháp. Các lỗ được bố trí trên các đỉnh tam giác đều,
khoảng cách giữa hai tâm lỗ bằng 2,5-5 lần đường kính.
Trong tháp mâm xuyên lỗ pha khí đi từ dưới lên qua các lỗ trên mâm và phân tán vào
lớp chất lỏng chuyển động từ trên xuống theo các ống chảy chuyền.
Ưu và nhược điểm của tháp mâm xuyên lỗ:
Ưu điểm: Chế tạo đơn giản, vệ sinh dễ dàng, trở lực thấp hơn tháp chóp và ít tốn kim
loại hơn tháp chóp.
Nhược điểm: Yêu cầu lắp đặt cao – mâm lắp phải rất phẳng, đối với những tháp có
đường kính quá lớn (lớn hơn 2,4m) ít dùng mâm xuyên lỗ vì khi đó chất lỏng phân
phối không đều trên mâm.
1.5. Quá trình và thiết bị ngưng tụ
1.5.1. Quá trình ngưng tụ

Ngưng tụ là một quá trình trao đổi nhiệt có chuyển pha, các chất khí hoặc hơi chuyển
thành pha lỏng.
Người ta nhận thấy thường xảy ra hai dạng biến thiên nhiệt độ trong quá trình ngưng
tụ đẳng áp là: dạng ngưng tụ đẳng áp, dạng ngưng tụ với nhiệt độ ngưng tụ giảm dần.
1.5.2. Thiết bị ngưng tụ

Thiết bị ngưng tụ có nhiệm vụ ngưng tụ hơi quá nhiệt sau máy nén thành môi chất
lạnh trạng thái lỏng. Qúa trình làm việc của thiết bị ngưng tụ có ảnh hưởng quyết định
đến áp suất và nhiệt độ ngưng tụ. Do đó ảnh hưởng đến hiệu quả và độ an toàn làm
việc của hệ thống lạnh. Khi thiết bị ngưng tụ làm việc kém hiệu quả, các thông số của
hệ thống sẽ thay đổi theo chiều hướng không tốt, cụ thể là :
Năng suất lạnh của hệ thống giảm, tổn thất tiết lưu tăng.
Nhiệt độ cuối quá trình nén tăng.
Công nén tăng, động cơ có thể quá tải.
Nhiệt độ cao ảnh hưởng đến dầu bôi trơn như cháy dầu.
16


Tùy theo các 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 bị ngưng tụ có cấu tạo rất đa dạng.
Phân loại theo chất làm lạnh: thiết bị dùng NH3, các freon R-12, R-22.
Phân loại theo điều kiện áp suất ngưng tụ: thiết bị ngưng tụ áp suất thấp (chân
không), áp suất thường, áp suất cao.
Phân loại theo khả năng tiếp xúc của hai chất lưu: kiểu gián tiếp (hay kiểu bề
mặt), kiểu trực tiếp (thiết bị ngưng tụ hơi nước kiểu baromet).
1.5.2.1.

Bình ngưng ống chùm nằm ngang

Bình ngưng ống chùm nằm ngang là thiết bị ngưng tụ được sử dụng phổ biến cho hệ
thống máy và thiết bị ngưng tụ hiện nay. Môi chất sử dụng có thể là NH 3 hoặc frêon.
Đối với bình ngưng NH3 các ống trao đổi nhiêt là các ống thép áp lực còn đối với bình
ngưng frênon thường sử dụng ống đồng có cánh về phía môi chất lạnh.

Hình 1.1 Bình ngưng ống chùm nằm ngang NH3

1- Nắp bình; 2- Ống xả khí không ngưng; 3- Ống Cân bằng; 4- Ống trao đổi nhiệt; 5Ống gas vào; 6- Ống lắp van an toàn; 7- Ống lắp áp kế ; 8- Ống xả air của nước; 9Ống nước ra; 10- Ống nước vào; 11- Ống xả cặn; 12- Ống lỏng về bình chứa

17

Hình 1.2 Bình ngưng Freon


1-Nắp bình, 2,6- Mặt sàng; 3- ống TĐN; 4- Lỏng ra; 5- Không gian giứa các ống
Ưu và nhược điểm của bình ngưng ống chùm nằm ngang
Ưu điểm
Bình ngưng ống chùm nằm ngang, giải nhiệt bằng nước nên hiệu quả giải nhiệt cao,
mật độ dòng nhiệt khá lớn q = 3000 ÷ 6000 W/m2, k= 800÷1000 W/m2.K, độ chênh
nhiệt độ trung bình ∆t = 5÷6 K.
Dễ dàng thay đổi tốc độ nước trong bình để có tốc độ thích hợp nhằm nâng cao hiệu
quả trao đổi nhiệt, bằng cách tăng số pass tuần hoàn nước.
Hiệu quả trao đổi nhiệt khá ổn định, ít phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường.
Cấu tạo chắc chắn, gọn và rất tiện lợi trong việc lắp đặt trong nhà, có suất tiêu hao kim
loại nhỏ, khoảng 40÷45 kg/m2 diện tích bề mặt trao đổi nhiệt, hình dạng đẹp phù hợp
với yêu cầu thẩm mỹ công nghiệp.
Dễ chế tạo, lắp đặt, vệ sinh, bảo dưỡng và vận hành.
Có thể sử dụng một phần của bình để làm bình chứa, đặc biệt tiện lợi trong các hệ
thống lạnh nhỏ, ví dụ như hệ thống kho lạnh.
Ít hư hỏng và tuổi thọ cao: Đối với các loại dàn ngưng tụ kiểu khác, các ống sắt
thường xuyên phải tiếp xúc môi trường nước và không khí nên tốc độ ăn mòn ống trao
đổi nhiệt khá nhanh. Đối với bình ngưng, do thường xuyên chứa nước nên bề mặt trao
đổi nhiệt hầu như luôn luôn ngập trong nước mà không tiếp xúc với không khí. Vì vậy
tốc độ ăn mòn diễn ra chậm hơn nhiều.
Nhược điểm
Đối với hệ thống lớn sử dụng bình ngưng không thích hợp vì khi đó đường kính bình
quá lớn, không đảm bảo an toàn. Nếu tăng độ dày thân bình sẽ rất khó gia công chế

tạo. Vì vậy các nhà máy công suất lớn, ít khi sử dụng bình ngưng.
Khi sử dụng bình ngưng, bắt buộc trang bị thêm hệ thống nước giải nhiệt gồm: Tháp
giải nhiệt, bơm nước giải nhiệt, hệ thống đường ống nước, thiết bị phụ đường nước
vv… nên tăng chi phí đầu tư và vận hành. Ngoài buồng máy, yêu cầu phải có không
gian thoáng bên ngoài để đặt tháp giải nhiệt. Quá trình làm việc của tháp luôn luôn kéo
theo bay hơi nước đáng kể, nên chi phí nước giải nhiệt khá lớn, nước thường làm ẩm
ướt khu lân cận, vì thế nên bố trí xa các công trình.

18


Kích thước bình tuy gọn, nhưng khi lắp đặt bắt buộc phải để dành khoảng không gian
cần thiết hai đầu bình để vệ sinh và sửa chữa khi cần thiết.
Quá trình bám bẩn trên bề mặt đường ống tương đối nhanh, đặc biệt khi chất lượng
nguồn nước kém.
Khi sử dụng bình ngưng ống vỏ nằm ngang cần quan tâm chú ý hiện tượng bám bẩn bề
mặt bên trong các ống trao đổi nhiệt, trong trường hợp này cần vệ sinh bằng hoá chất
hoặc cơ khí. Thường xuyên xả cặn bẩn đọng lại ở tháp giải nhiệt và bổ sung nước mới.
Xả khí và cặn đường nước (trang 155 [3]).
1.5.2.2.

Bình ngưng ống vỏ thẳng đứng

Hình 1.3 Bình ngưng ống vỏ thẳng đứng
1- Ống cân bằng, 2- Xả khí không ngưng, 3- Bộ phân phối nước, 4- Van an toàn; 5Ống TĐN, 6- áp kế, 7- Ống thuỷ, 8- Bể nước, 9- Bình chứa cao áp
Ưu nhược điểm và phạm vi sử dụng
Ưu điểm
Hiệu quả trao đổi nhiệt khá lớn, phụ tải nhiệt của bình đạt 4500 W/m 2 ở độ chênh nhiệt
độ 4÷5K, tương ứng hệ số truyền nhiệt k = 800÷1000 W/m2.K
Thích hợp cho hệ thống công suất trung bình và lớn, không gian lắp đặt chật hẹp, phải

bố trí bình ngưng ở ngoài trời.
Do các ống trao đổi nhiệt đặt thẳng đứng nên khả năng bám bẩn ít hơn so với bình
ngưng ống chùm nằm ngang, do đó không yêu cầu chất lượng nguồn nước cao lắm.
19


Do kết cấu thẳng đứng nên lỏng môi chất và dầu chảy ra ngoài khá thuận lợi , việc thu
hồi dầu cũng dễ dàng. Vì vậy bề mặt trao đổi nhiệt nhanh chóng được giải phóng để
cho môi chất làm mát.
Nhược điểm
Vận chuyển, lắp đặt, chế tạo, vận hành tương đối phức tạp. Lượng nước tiêu thụ khá
lớn nên chỉ thích hợp những nơi có nguồn nước dồi dào và rẻ tiền.
Đối với hệ thống rất lớn sử dụng bình ngưng kiểu này không thích hợp, do kích thước
cồng kềnh, đường kính bình quá lớn không đảm bảo an toàn (trang 157 [3]).
1.5.2.3. Thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng

Hình 1.4 Thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống
Ưu và nhược điểm
Có hiệu quả trao đổi nhiệt khá lớn, gọn . Tuy nhiên chế tạo tương đối khó khăn, các
ống lồng vào nhau sau đó được cuộn lại cho gọn, nếu không có các biện pháp chế tạo
đặc biệt, các ống dễ bị móp, nhất là ống lớn ở ngoài, dẫn đến tiết diện bị co thắt, ảnh
hưởng đến sự lưu chuyển của môi chất bên trong. Do môi chất chỉ chuyển động vào ra
một ống duy nhất nên lưu lượng nhỏ, thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồng ống chỉ thích hợp
đối với hệ thống nhỏ và trung bình (trang 158 [3]).

20


1.5.2.4. Thiết bị ngưng tụ kiểu tấm bảng

Hình 1.5 Thiết bị ngưng tụ kiểu tấm bản

Ưu điểm và nhược điểm
Ưu điểm
Do được ghép từ các tấm bản mỏng nên diện tích trao đổi nhiệt khá lớn, cấu tạo gọn.
Dễ dàng tháo lắp để vệ sinh sửa chữa và thay thế. Có thể thêm bớt một số panel để
thay đổi công suất giải nhiệt một cách dễ dàng.
Hiệu quả trao đổi nhiệt cao, tương đương bình ngưng ống vỏ amoniac.
Nhược điểm
Chế tạo khó khăn. Cho đến nay chỉ có các hãng nước ngoài là có khả năng chế tạo các
dàn ngưng kiểu tấm bản. Do đó thiếu các phụ tùng có sẵn để thay thế sửa chữa.
Khả năng rò rỉ đường nước khá lớn do số đệm kín nhiều (trang 159 [3]).

21


1.5.2.5.

Thiết bị ngưng tụ kiểu bay hơi

Hình 1.6 Thiết bị ngưng tụ kiểu bay hơi
1- Ống trao đổi nhiệt; 2- Dàn phun nước; 3- Lồng quạt; 4- Mô tơ quạt; 5- Bộ chắn
nước;6-Ống gas vào; 7-Ống góp; 8-Ống cân bằng; 9-Đồng hồ áp suất; 10- Ống lỏng
ra; 11- Bơm nước; 12-Máng hứng nước; 13- Xả đáy bể nước; 14- Xả tràn
Ưu điểm và nhược điểm
Ưu điểm
Do cấu tạo dạng dàn ống nên công suất của nó có thể thiết kế đạt rất lớn mà không bị
hạn chế vì bất cứ lý do gì. Hiện nay nhiều xí nghiệp chế biến thuỷ sản nước ta sử dụng
dàn ngưng tụ bay hơi công suất đạt từ 600÷1000 kW.
So với các thiết bị ngưng tụ kiểu khác, dàn ngưng tụ bay hơi ít tiêu tốn nước hơn, vì

nước sử dụng theo kiểu tuần hoàn.
Các dàn ống kích cỡ nhỏ nên làm việc an toàn.
Dễ dàng chế tạo, vận hành và sửa chữa.
Nhược điểm
Do năng suất lạnh riêng bé nên suất tiêu hao vật liệu khá lớn.
Các cụm ống trao đổi nhiệt thường xuyên tiếp xúc với nước và không khí, đó là môi
trường ăn mòn mạnh, nên chóng bị hỏng. Do đó bắt buộc phải nhúng kẽm nóng để
chống ăn mòn.
Nhiệt độ ngưng tụ phụ thuộc vào trạng thái khí tượng và thay đổi theo mùa trong năm.

22


Chỉ thích hợp lắp đặt ngoài trời, trong quá trình làm việc, khu vực nền và không gian
xung quanh thường bị ẩm ướt, vì vậy cần lắp đặt ở vị trí riêng biệt tách hẳn các công
trình (trang 162 [3]).
1.5.2.6.

Dàn ngưng kiểu tưới

Hình 1.7 Dàn ngưng kiểu tưới
Ưu điểm và nhược điểm
Ưu điểm
Hiệu quả trao đổi nhiệt cao, hệ số truyền nhiệt đạt 700 ÷ 900 W/m2.K. Mặt khác do
cấu tạo, ngoài dàn ống trao đổi nhiệt ra, các thiết bị phụ khác như khung đỡ, bao che
hầu như không có nên suất tiêu hao kim loại nhỏ, giá thành rẻ.
Cấu tạo đơn giản, chắc chắn, dễ chế tạo và có khả năng sử dụng cả nguồn nước bẩn vì
dàn ống để trần rất dễ vệ sinh. Vì vậy dàn ngưng kiểu tưới rất thích hợp khu vực nông
thôn, nơi có nguồn nước phong phú, nhưng chất lượng không cao.
So với bình ngưng ống vỏ, lượng nước tiêu thụ không lớn. Nước rơi tự do trên dàn ống

để trần hoàn toàn nên nhả nhiệt cho không khí phần lớn, nhiệt độ nước ở bể tăng
không đáng kể, vì vậy lượng nước bổ sung chỉ chiếm khoảng 30% lượng nước tuần
hoàn.
Nhược điểm
Trong quá trình làm việc, nước bắn tung toé xung quanh, nên dàn chỉ có thể lắp đặt
bên ngoài trời, xa hẳn khu nhà xưởng.
Cùng với bình ngưng ống vỏ, dàn ngưng kiểu tưới tiêu thụ nước khá nhiều do phải
thường xuyên xả bỏ nước.
23


Do tiếp xúc thường xuyên với nước và không khí, trong môi trưởng ẩm như vậy nên
quá trình ăn mòn diễn ra rất nhanh, nếu dàn ống không được nhúng kẽm nóng sẽ rất
nhanh chóng bị bục, hư hỏng.
Hiệu quả giải nhiệt chịu ảnh hưởng của môi trường khí hậu (trang 158 [3]).
1.5.2.7.

Dàn ngưng kiểu giải nhiệt không khí

Hình 1.8 Dàn ngưng không khí đối lưu tự nhiên
Hệ số truyền nhiệt của thiết bị ngưng tụ đối lưu gió tự nhiên khoảng 6÷7 W/m2.K.

Hình 1.9 Dàn ngưng không khí đối lưu cưỡng bức

1- ống trao đổi nhiệt; 2- Vỏ dàn; 3- ống lắp quạt; 4- Hơi ra

Ưu điểm và nhược điểm
Ưu điểm
24

Không sử dụng nước nên chi phí vận hành giảm. Điều này rất phù hợp ở những nơi
thiếu nước như khu vực thành phố và khu dân cư đông đúc.
Không sử dụng hệ thống bơm, tháp giải nhiệt, vừa tốn kém lại gây ẩm ướt khu vực nhà
xưởng. Dàn ngưng không khí ít gây ảnh hưởng đến xung quanh và có thể lắp đặt ở
nhiều vị trí trong công trình như treo tường, đặt trên nóc nhà vv . . .
Hệ thống sử dụng dàn ngưng không khí có trang thiết bị đơn giản hơn và dễ sử dụng.
So với các thiết bị ngưng tụ giải nhiệt bằng nước, dàn ngưng không khí ít hư hỏng và
ít bị ăn mòn.
Nhược điểm
Mật độ dòng nhiệt thấp, nên kết cấu khá cồng kềnh và chỉ thích hợp cho hệ thống công
suất nhỏ và trung bình.
Hiệu quả giải nhiệt phụ thuộc nhiều vào điều kiện khí hậu. Những ngày nhiệt độ cao
áp suất ngưng tụ lên rất cao Ví dụ, hệ thống sử dụng R22, ở miền Trung, những ngày
hè nhiệt độ không khí ngoài trời có thể đạt 40 0C, tương ứng nhiệt độ ngưng tụ có thể
đạt 48 0C, áp suất ngưng tụ tương ứng là 18,5 bar, bằng giá trị đặt của rơ le áp suất cao.
Nếu trong những ngày này không có những biện pháp đặc biệt thì hệ thống không thể
hoạt động được do rơ le HP tác động. Đối với dàn ngưng trao đổi nhiệt đối lưu tự
nhiên hiệu quả còn thấp nữa (trang 167 [3]).

CHƯƠNG 2 : ĐỀ NGHỊ QUY TRÌNH CHƯNG CẤT
2.1. Sơ đồ về nguyên liệu
Nguyên liệu là hỗn hợp Aceton – Nước , trong đó Aceton là cấu tử dễ bay hơi.
Bảng 2.1 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
y
t

2.2.

0
0
100
-

5
10
20
30
40
50
60
70
80
90
60.3 72 80.3 82.7 84.2 85.5 86.9 88.2 90.4 94.3
77.9 69.6 64.5 62.6 61.6 60.7 59.8 59 58.2 57.5
28,9 23,1 16,3 11,2 8,0 5,9
4,4 3,2 2,4 1,8

Sơ đồ quy trình chưng cất Aceton – Nước
25

Hình 2.1 Đồ thi quan hệ giữa thành phần và nhiệt độ của Aceton – Nước
Hình 2.2 Đồ thị đường cân bằng Aceton – Nước

100
100
56.9

-