Đồ án QTTB Thiết bị trao đổi nhiệt sản phẩm đỉnh trong hệ thống chưng cất ethanol nước

Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học
LỜI NĨI ĐẦU
Với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, các ngành công nghiệp
hiện nay, đặc biệt là ngành công nghiệp hóa chất, một trong những ngành quan trọng
để phát triển sản xuất trong giai đoạn cơng nghiệp hóa, dẫn đến nhu cầu ngày càng
tăng về số lượng cũng như chất lượng của hóa chất, đặc biệt trên khía cạnh các sản
phẩm hiện nay đòi hỏi chất lượng sản phẩm phải đáp ứng nhiều tiêu chuẩn khắt khe
cả trong và ngồi nước, chính vì thế trong các q trình tổng hợp các sản phẩm hữu
cơ, hóa dược, nhiên liệu,.. Độ tinh khiết của sản phẩm đóng vai trị hết sức quan trọng,
các phương pháp nâng cao độ tinh khiết cho hóa chất như trích ly, chưng cất, cơ đặc,
hấp thu,… ngày càng được cải tiến hiện đại đóng vai trị nền móng quan trọng cho
ngành cơng nghiệp hóa chất hiện nay. Tuy nhiên, phụ thuộc yêu cầu đặc tính của từng
sản phẩm mà ta chọn lựa các phương pháp và quy trình thích hợp. Đối với hệ Ethanol
– H2O, hệ hai cấu tử tan lẫn hồn tồn, có nhiệt độ sôi khác nhau nên ở đây ta lựa
chọn phương pháp chưng cất để tách các cấu tử trong hỗn hợp nhằm thu được Ethanol
có độ tinh khiết cao.
Đồ án Quá trình và Thiết bị là một mơn học mang tính tổng hợp tất cả kiến thức
trong quá trình học tập của các kỹ sư hóa học nhằm củng cố và nắm vững kiến thức
đã học, thúc đẩy niềm say mê, tìm tịi và rèn luyện kỹ năng giải quyết vấn đề. Đồng
thời tiếp cần với quy trình thực tế thơng qua việc tính tốn, lựa chọn quy trình và các
thiết bị với những yêu cầu cụ thể. Những thách thức và cũng là cơ hội để sinh viên có
thể tìm hiểu, vận dụng những công nghệ mới nhất của ngành kỹ thuật hóa học nhằm
giải quyết và xử lý các yêu cầu được đặt ra cho một kỹ sư.
Đề tài em đảm nhiệm trong Đồ án Quá trình và Thiết bị: Thiết kế thiết bị ngưng
tụ trong hệ thống mâm chóp hoạt động liên tục để chưng cất hỗn hợp Ethanol – Nước
ở áp suất thường với năng suất sản phẩm đỉnh 1000 kg/h, nhập liệu nồng độ rượu 25%
mol Ethanol, nồng độ sản phẩm đỉnh 85% mol Ethanol và tỷ lệ thu hồi rượu đạt 99%.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Vũ Bá Minh đã tận tình hướng dẫn,
chỉ bảo và giải đáp những thắc mắc của em, và các bạn đã góp ý để em có thể hồn
thiện đồ án một cách tốt nhất. Tuy nhiên, trong q trình thực hiện khơng tránh khỏi
những sai sót do thiếu sót về kiến thức cịn hạn hẹp, em mong nhận được ý kiến đóng

góp từ quý thầy cô và các bạn.
i


Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học

MỤC LỤC
LỜI NĨI ĐẦU .............................................................................................................i
DANH MỤC HÌNH ..................................................................................................iv
1. TỔNG QUAN......................................................................................................... 1
1.1. Giới thiệu về nguyên liệu ..................................................................................... 1
1.1.1. Ethanol ............................................................................................................... 1
1.1.2. Nước .................................................................................................................. 2
1.1.3. Hệ Ethanol – H2O .............................................................................................. 3
1.2. Quá trình chưng cất .............................................................................................. 3
1.2.1. Khái niệm .......................................................................................................... 3
1.2.2. Các phương pháp chưng cất .............................................................................. 4
1.2.3. Các thiết bị chưng cất ........................................................................................ 4
1.3. Lựa chọn quá trình chưng cất ............................................................................... 5
1.3.1. Sơ đồ quy trình cơng nghệ (Bản vẽ đính kèm) .................................................. 5
1.3.2. Thuyết minh sơ đồ quy trình cơng nghệ ............................................................ 5
2. TÍNH TỐN CÂN BẰNG VẬT CHẤT .............................................................. 7
2.1. Dữ kiện đề bài....................................................................................................... 7
2.2. Các ký hiệu ........................................................................................................... 7
2.3. Tính toán cân bằng vật chất .................................................................................. 7
3. CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG ............................................................................. 13
3.1. Cân bằng nhiệt lượng lượng cho tháp chưng cất ................................................ 13
3.2. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ ....................................................... 14
3.3. Cân bằng năng lượng cho thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh ............................... 15
3.4. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị đun nóng dịng nhập liệu.............................. 15

4. TÍNH TỐN THIẾT BỊ CHÍNH – THIẾT BỊ NGƯNG TỤ .......................... 17
4.1. Tính kích thước thiết bị ...................................................................................... 17
4.2. Tính cơ khí ..........................................................................................................21
ii


Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học
4.2.1. Bề dày thân ......................................................................................................21
4.2.2. Tính chọn bề dày đáy và nắp: .......................................................................... 23
4.2.3. Bích ghép thân và nắp: .................................................................................... 23
4.2.4. Đường kính các ống dẫn – Bích ghép các ống dẫn ......................................... 25
4.2.5. Tính vỉ ống.......................................................................................................27
4.2.6. Chân đỡ ............................................................................................................28
4.2.7. Tính trọng lượng tồn thiết bị.......................................................................... 28
5. TÍNH THIẾT BỊ PHỤ......................................................................................... 30
5.1. Tháp chưng cất ...................................................................................................30
5.1.1. Tính đường kính tháp ...................................................................................... 30
5.1.2. Tính chiều cao tháp.......................................................................................... 34
5.2. Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh ...................................................................... 34
5.3. Thiết bị đun nóng dịng nhập liệu ....................................................................... 39
5.4. Thiết bị đun sôi đáy tháp .................................................................................... 44
5.5. Bồn cao vị ...........................................................................................................48
5.5.1. Tổn thất đường ống dẫn ................................................................................... 48
5.5.2. Tổn thất đường ống dẫn trong thiết bị đun nóng dịng nhập liệu .................... 49
5.5.3. Chiều cao bồn cao vị ....................................................................................... 50
5.6. Bơm ....................................................................................................................51
5.6.1. Tổng trở lực trong ống hút và đẩy ................................................................... 51
5.6.2. Chọn bơm ........................................................................................................52
6. GIÁ THÀNH THIẾT BỊ ..................................................................................... 54
7. KẾT LUẬN ..........................................................................................................55

TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................................... 56

iii


Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Cơng thức cấu tạo của Ethanol........................................................... 1
Hình 1.2. Đồ thị cân bằng x – y của hệ Ethanol – Nước ................................... 3
Hình 2.1. Đồ thị mâm lý thuyết ....................................................................... 10
Hình 2.2. Đồ thị số mâm lý thuyết phóng to ở phần cất .................................. 10

iv


Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học

DANH MỤC BẢNG
Bảng I.1. Cân bằng lỏng – hơi cho hệ Ethanol – H2O ....................................... 3
Bảng I.2. So sánh các loại tháp trong chưng cất ................................................ 5
Bảng II.1. Phân mol và phân khối lượng các dòng nhập liệu, sản phẩm đỉnh và
sản phẩm đáy trong tháp chưng cất ..................................................................... 8
Bảng III.1. Tóm tắt năng lượng thiết bị đun nóng dịng nhập liệu .................. 15
Bảng IV.1. Thơng số bích ghép thân và nắp .................................................... 15

v


Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học

1. TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu về nguyên liệu
1.1.1. Ethanol
a) Tính chất vật lý
Ethanol: còn được biết đến như là rượu etylic, ancol etylic, rượu ngũ cốc hay
cồn, là một hợp chất hữu cơ nằm trong dãy đồng đẳng của ancol, dễ cháy, không màu,
là một trong các rượu thơng thường có trong thành phần của đồ uống chứa cồn, là một
ancol mạch hở, cơng thức hóa học của nó C2H6O hay C2H5OH.

Hình 1.1: Công thức cấu tạo của Ethanol
Ethanol là một chất lỏng, không màu, trong suốt, mùi thơm dễ chịu và đặc trưng,
vị cay, nhẹ hơn nước (khối lượng riêng 0,7936 g/ml ở 15oC), dễ bay hơi (sôi ở nhiệt
độ 78,39 oC), hố rắn -114,15 oC, tan trong nước vơ hạn, hút ẩm, dễ cháy.
b) Tính chất hóa học
Ethanol có các tính chất hóa học của một ancol đơn chức.
Phản ứng thế với kim loại kiềm, kim loại kiềm thổ. Ví dụ:
2C2H5OH + 2Na →2C2H5ONa + H2
Phản ứng giữa rượu và acid với mơi trường là H2SO4 đặc nóng tạo ra este. Ví
dụ:
C2H5OH + CH3COOH → CH3COOC2H5 + H2O
Phản ứng loại nước như tách nước trong một phân tử để tạo thành olefin, trong
môi trường H2SO4 đặc ở 170oC:
1


Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học
C2H5OH →C2H4 + H2O
Tách nước giữa 2 phân tử rượu thành ether:
C2H5OH + C2H5OH → C2H5-O-C2H5 + H2O
Phản ứng oxi hóa

CH3-CH2-OH + CuO → CH3-CHO + Cu + H2O
CH3-CH2-OH + O2 → CH3-COOH + H2O
C2H5OH + O2 → 3H2O + 2CO2
c) Sản xuất, điều chế
Ethanol được sử dụng như là nguyên liệu công nghiệp và thơng thường nó được
sản xuất từ các ngun liệu dầu mỏ, chủ yếu là thông qua phương pháp hydrate hóa
ethylene bằng xúc tác acid.
CH2=CH2 + H2O → C2H5OH
Ethanol để sử dụng trong đồ uống chứa cồn cũng như phần lớn ethanol sử dụng
làm nhiên liệu, được sản xuất bằng cách lên men: Khi một số loại men rượu chuyển
hóa đường trong điều kiện yếm khí thành ethanol và carbon dioxide:
C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2
d) Ứng dụng
Ethanol là một dung mơi linh hoạt, có thể pha trộn với nước và các dung môi
hữu cơ khác như acetic acid, benzene, acetone,…
Ethanol có thể sử dụng như là nhiên liệu cồn (thông thường được trộn lẫn với
xăng) và trong hàng loạt các quy trình cơng nghiệp khác. Ethanol cũng được sử dụng
trong các sản phẩm chống đơng lạnh vì điểm đóng băng thấp của nó. Kể từ ngày
1/1/2018, Việt Nam đã đưa xăng E5 (RON 92 95%, ethanol 5%) vào sử dụng trong
tồn quốc.
Dung dịch ethanol từ 60 – 70% cịn được sử dụng làm dung dịch khử trùng do
có khả năng làm biến tính protein và hịa tan lipit của vi khuẩn.
Ethanol còn là nguyên liệu để sản xuất ra nhiều hợp chất khác trong công nghiệp
như: ethyl esters, acetic acid, ethylamine, ….
1.1.2. Nước
Nước là một hợp chất hóa học của oxy và hydro, có cơng thức hóa học là H2O.
Với các tính chất lý hóa đặc biệt (ví dụ như tính lưỡng cực, liên kết hydro và tính bất
2

Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học
thường của khối lượng riêng), nước là một chất rất quan trọng trong nhiều ngành khoa
học và trong đời sống.
Nước tinh khiết thường được mô tả là không màu, không vị và không mùi.
1.1.3. Hệ Ethanol – H2O
Bảng I.1: Cân bằng lỏng – hơi cho hệ Ethanol – H2O (trang 148, [8])
x

0

y

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

0,442 0,531 0,576 0,614 0,654 0,699 0,753 0,818 0,898

1
1

Ethanol - Nước
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Hình 1.2: Đồ thị cân bằng x – y của hệ Ethanol – Nước
1.2. Quá trình chưng cất
1.2.1. Khái niệm
Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng hoặc hỗn
hợp khí – lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu

3


Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học
tử trong hỗn hợp (nghĩa là khi ở cùng một nhiệt độ, áp suất hơi bão hòa của các cấu
tử khác nhau).
1.2.2. Các phương pháp chưng cất
- Phân loại theo áp suất làm việc: áp suất thấp, áp suất thường, áp suất cao.
- Phân loại theo nguyên lý làm việc: chưng cất đơn giản, chưng cất bằng hơi
nước trực tiếp, chưng cất đa cấu tử.
- Phân loại theo phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp: cấp nhiệt trực tiếp và gián
tiếp.

1.2.3. Các 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 tích bề
mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều này phụ thuộc vào mức độ phân tán của một lưu chất
này vào lưu chất kia.
a) Tháp mâm: Tháp mâm gồm thân tháp hình trụ thẳng đứng trong có gắn các
mâm có cấu tạo khác nhau trên đó pha lỏng và pha hơi được cho tiếp xúc nhau. Quá
trình chung cả tháp được xem như tiếp xúc pha nghịch dòng mặc dù trên mỗi mâm
hai pha tiếp xúc giao dịng.
b) Tháp chêm: Tháp chêm là một 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. Vật chêm sử dụng gồm nhiều loại khác nhau, phổ biến
nhất là một số loại sau: vịng Raschig, vật chêm hình n ngựa, vật chêm vòng
xoắn,… Yêu cầu chung của các loại vật chêm là phải có diện tích bề mặt riêng lớn,
độ rỗng lớn để giảm trở lực pha khí. Vật liệu chế tạo vật chêm phải có khối lượng
riêng nhỏ và bền hóa học.
So sánh ưu nhược điểm của các loại tháp

4


Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học
Bảng I.1 So sánh các loại tháp trong chưng cất
Tháp chêm

Tháp mâm xuyên
lỗ

Tháp mâm
chóp

Ưu
điểm

- Cấu tạo khá đơn giản.
- Trở lực thấp.
- Làm việc được với chất lỏng
bẩn nếu dùng đệm cầu có ρ ≈
ρ của chất lỏng.

- Trở lực tương đối
thấp.
- Hiệu suất khá cao.

- Khá ổn định.
- Hiệu suất cao.

Nhược
điểm

- Do có hiệu ứng thành nên
hiệu suất truyền khối thấp.
- Độ ổn định khơng cao, khó
vận hành.
- Khó tăng năng suất do có hiệu
ứng thành.
- Thiết bị khá nặng nề.

- Khơng làm việc được
với chất lỏng bẩn.

- Kết cấu khá phức tạp.

- Có trở lực lớn.
- Tiêu tốn nhiều
vật tư, kết cấu
phức tạp

1.3. Lựa chọn q trình chưng cất
Ethanol tan hồn tồn trong nước, tạo hỗn hợp đẳng phí với nước ở 78,2 oC với
phần mol của Ethanol là 0,894. Ở áp suất khí quyển, ethanol sơi ở 78,4 oC trong khi
nhiệt độ sôi của nước là 100oC. Đề bài yêu cầu chưng cất với nồng độ sản phẩm đỉnh
là 90% (khoảng 0,78 phần mol ethanol) nên chưa đến điểm đẳng phí. Để đạt được
yêu cầu của đề bài, ta sẽ tiến hành chưng cất liên tục hệ hai cấu tử Ethanol – nước
bằng tháp chưng cất mâm chóp, gia nhiệt gián tiếp.
1.3.1. Sơ đồ quy trình cơng nghệ (Bản vẽ đính kèm)
1.3.2. Thuyết minh sơ đồ quy trình cơng nghệ
Ngun liệu của quá trình là dung dịch ethanol – nước với nồng độ theo phần
mol của ethanol là 25% mol, được chứa trong bồn chứa nguyên liệu (1) ở nhiệt độ
khoảng 30 oC. Dung dịch nhập liệu được bơm (2) đưa lên bồn cao vị (3), mực chất
lỏng ở bồn cao vị được khống chế nhờ vào ống chảy tràn. Dòng nhập liệu tiếp tục
được điều chỉnh lưu lượng nhờ lưu lượng kế (4) và được đưa vào thiết bị đun sơi dịng
nhập liệu (5). Tại đây, dịng nhập liệu được gia nhiệt từ nhiệt độ ban đầu là khoảng
30 oC đến nhiệt độ lỏng sôi của hỗn hợp bằng dịng hơi nước bão hịa. Sau đó, dịng
nhập liệu được đưa vào tháp chưng cất (8) ở mâm nhập liệu.
Tháp chưng cất gồm 2 phần: phần trên mâm nhập liệu là phần cất, còn từ mâm
nhập liệu trở xuống là phần chưng. Ở trong tháp, pha lỏng đi từ trên xuống tiếp xúc
với pha hơi đi từ dưới lên. Hơi bốc từ các mâm dưới lên qua các lỗ chóp mâm trên và
5

Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học
tiếp xúc với pha lỏng của mâm trên, ngưng tụ một phần, vì thế nồng độ ethanol (cấu
tử dễ bay hơi) trong pha lỏng tăng dần theo chiều cao của tháp. Vì nồng độ ethanol
trong lỏng tăng nên nồng độ của nó trong hơi do lỏng bốc lên cũng tăng. Ethanol có
nhiệt độ sơi thấp hơn nước nên khi nồng độ của nó tăng nên thì nhiệt độ sơi của dung
dịch giảm. Tóm lại, theo chiều cao tháp nồng độ ethanol (cả pha lỏng và pha hơi) tăng
dần, nồng độ của nước (cả pha lỏng và pha hơi) giảm dần và nhiệt độ giảm dần. Cuối
cùng ở đỉnh tháp ta sẽ thu được hỗn hợp hơi có thành phần hầu hết là ethanol còn ở
đáy tháp ta sẽ thu được hỗn hợp lỏng có nước chiếm tỉ lệ lớn.
Để duy trì pha lỏng trong các mâm trong phần cất và giúp cho dòng sản phẩm
đỉnh được tinh khiết hơn, ta bổ sung bằng dòng hồi lưu được ngưng tụ từ hơi đỉnh
tháp. Hơi đỉnh tháp được ngưng tụ nhờ thiết bị ngưng tụ hồn tồn (9), đi qua bồn
phân phối dịng (10) và được chia thành hai dòng. Một dòng được hồi lưu trở lại mâm
cất trên cùng để duy trì pha lỏng trong các mâm ở phần cất, dòng còn lại được đưa
qua thiết bị làm lạnh (14), được làm lạnh đến khoảng 40 oC để đi vào bồn chứa sản
phẩm đỉnh (15). Chất lỏng ở đáy tháp được tháo ra ở đáy tháp, sau đó một phần được
đun sơi bằng nồi đun đáy tháp (12) và hồi lưu vào đáy tháp, phần chất lỏng còn lại
được đưa vào bồn chứa sản phẩm đáy (13). Nước ngưng của các thiết bị gia nhiệt
được tháo qua thiết bị tháo nước ngưng – bẫy hơi (6).
Trong quá trình vận hành, cần kiểm tra nhiệt độ của dòng nhập liệu trước khi
cho vào tháp, nhiệt độ đỉnh tháp, nhiệt độ dịng hồn lưu đáy tháp, áp suất đáy tháp
bằng nhiệt kế (7) và áp kế (11) để đảm bảo tháp chưng cất hoạt động ổn định.

6


Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học
2. TÍNH TỐN CÂN BẰNG VẬT CHẤT
2.1. Dữ kiện đề bài
- Năng suất sản phẩm đỉnh: 1000 kg/h.

- Nhập liệu có nồng độ rượu: 25% mol ethanol.
- Nồng độ sản phẩm đỉnh: 85% mol ethanol.
- Tỷ lệ thu hồi rượu: η =99%.
- Khối lượng phân tử của rượu và nước: MR =46, MN =18.
- Khối lượng riêng của rượu và nước ở nhiệt độ đỉnh t’D= 78,5oC:
• ρR = 0,735 kg/l
• ρN= 0,972 kg/l
- Chọn:
• Nhiệt độ nhập liệu: t’F = 30oC
• Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội: t’D = 40oC
• Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt: t’W = 45oC
• Trạng thái nhập liệu là trạng thái lỏng sôi
2.2. Các ký hiệu
- GF, GD, GW tương ứng là năng suất dòng nhập liệu, dòng sản phẩm đỉnh, dòng
sản phẩm đáy (kg/h).
- F, D, W tương ứng là năng suất dòng nhập liệu, dòng sản phẩm định, dịng sản
phẩm đáy (kmol/h).
- Lo =: Lượng dịng hồn lưu (kmol/h).
- x: Nồng độ phần mol của ethanol trong pha lỏng, kmol ethanol/kmol hỗn hợp.
hợp.

- 𝑥𝑥̅ : Nồng độ phần khối lượng của ethanol trong pha lỏng, kg ethanol/kg hỗn
- ρ: Khối lượng riêng (kg/m3).

- Các chỉ số F, D, W tương ứng chỉ các đại lượng thuộc về dòng nhập liệu, dịng
sản phẩm đỉnh, dịng sản phẩm đáy.
2.3. Tính toán cân bằng vật chất
a) Xác định suất lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy
- Cân bằng vật chất cho toàn tháp: F = D + W (II.1)
7

Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học
- Cân bằng cấu tử ethanol: F.xF = D.xD + W.xW (II.2)
- Tỷ lệ thu hồi (η =99%): F.xF. η = D.xD (II.3)
- Chuyển đổi phẩn mol về phần khối lượng
𝑥𝑥̅ =

𝑥𝑥 × 𝑀𝑀𝑅𝑅
𝑥𝑥 × 𝑀𝑀𝑅𝑅 + (1 − 𝑥𝑥) × 𝑀𝑀𝑁𝑁

Suy ra 𝑥𝑥̅𝐹𝐹 = 0.46 và 𝑥𝑥̅𝐷𝐷 = 0.9354

Từ (II.1), (II.2), (II.3)

Kg/h

Kmol/h

F

2054,03

82.16

D

1000

23,92

W

1054,03

58,24
kmol/h

kg/h

𝒙𝒙𝑭𝑭

0,25

FR

20,54

944,85

0,85

DR

20,33

935,41

𝒙𝒙𝑾𝑾

0,003527

WR

0,21

9,44

0,46

FN

61,62

1109,18

����
𝒙𝒙𝑫𝑫

0,935

DN

3,59

64,59

0,008964

WN

58,03

1044,59

𝒙𝒙𝑫𝑫

���𝑭𝑭
𝒙𝒙

����
𝒙𝒙
𝑾𝑾

Bảng II.1: Phân mol và phân khối lượng các dòng nhập liệu, sản phẩm đỉnh và
sản phẩm đáy
b) Chỉ số hoàn lưu

Chỉ số hoàn lưu tối thiểu: là chế độ làm việc mà tại đó ứng với số mâm lý thuyết
là vơ cực. Do đó, chi phí cố định là vơ cực nhưng chi phí vận hành (nhiên liệu, nước
giải nhiệt,…) là tối thiểu.
Do đồ thị cân bằng của hệ Ethanol – Nước có điểm uốn, nên xác định tỉ số hoàn
lưu tối thiểu bằng cách:

8


Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học
+) Trên đồ thị cân bằng y-x, từ điểm (0,85;0,85) ta kẻ một đường thẳng tiếp tuyến
với đường cân bằng tại điểm uốn, cắt trục Oy tại điểm có yo=0,278.

+) Theo phương trình đường làm việc đoạn cất, khi xo=0
𝑥𝑥𝐷𝐷
= 0,278
𝑦𝑦𝑜𝑜 =
𝑅𝑅𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 + 1
Vậy tỉ số hoàn lưu tối thiểu: Rmin= 2,057

Chỉ số hồn lưu thích hợp: Vấn đề chọn chỉ số hồn lưu rất quan trọng, vì khi
chỉ số hồi lưu bé thì số bậc của tháp lớn nhưng tiêu tốn ít năng lượng, ngược lại khi chỉ
số hồi lưu lớn thì số bậc của tháp ít hơn nhưng tiêu tốn năng lượng lại nhiều hơn.
Ở đây, trong tính tốn cơng nghiệp để tính gần đúng ta có thể lấy chỉ số hồi lưu
làm việc bằng công thức:
𝑅𝑅 = 𝑅𝑅𝑡𝑡ℎ = 1,3 × 𝑅𝑅𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 + 0,3 = 2,974 ([8]: IX.25b/159)

+ Phương trình làm việc của phần cất:
𝑦𝑦 =

𝑥𝑥𝐷𝐷
2,974
0,85
𝑅𝑅
⋅ 𝑥𝑥 +
=
𝑥𝑥 +
= 0,748𝑥𝑥 + 0,214
2,974 + 1
𝑅𝑅 + 1
𝑅𝑅 + 1 2,974 + 1

+ Phương trình làm việc đoạn chưng:

𝑦𝑦 =

𝑓𝑓 − 1
2,974 + 3,434
3,433 − 1
𝑅𝑅 + 𝑓𝑓
⋅ 𝑥𝑥 −
⋅ 𝑥𝑥𝑤𝑤 =
⋅ 𝑥𝑥 −
⋅ 0,003527
𝑅𝑅 + 1
2,974 + 1
2,974 + 1
𝑅𝑅 + 1

với f =

𝐹𝐹

𝐷𝐷

=

40

11,65

= 1,6126x − 0,002160

= 3,433 : chỉ số nhập liệu

Số mâm lý thuyết:

Để xác định số mâm lý thuyết ta phải xác định ba đường gồm:
Vẽ đường làm việc phần cất theo phương trình:
𝑦𝑦 = 0,748𝑥𝑥 + 0,214

Vẽ đường nhập liệu: 𝑥𝑥 = 0.25

Vẽ đường làm việc phần chưng theo phương trình:
𝑦𝑦 = 1,6126x − 0,002160
9


Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học
1

Giản đồ Ethanol - Nước

0.9
0.8
0.7

D (0.85;085 )

0.6
0.5
Đường cân bằng
Đường 45
Đường chưng

Đường cất
Số bậc
Đường nhập liệu

0.4
F (0.25;0.40)

0.3
0.2
0.1
0

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

Hình 2.1. Đồ thị mâm lý thuyết

Hình 2.2. Đồ thị số mâm lý thuyết phóng to ở phần cất
Vậy tổng số mâm lý thuyết: 28 mâm (27 mâm + 1 nồi đun)
Trong đó bao gồm: 6 mâm chưng (5 mâm chưng + 1 nồi đun), 1 mâm nhập
liệu, 22 mâm cất. Vị trí mâm nhập liệu: 5

10

1


Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học
Số mâm lý thuyết: 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:
𝑁𝑁𝑡𝑡𝑡𝑡 =

𝑁𝑁𝑙𝑙𝑙𝑙
𝜂𝜂𝑡𝑡𝑡𝑡

Trong đó: 𝜂𝜂𝑡𝑡𝑡𝑡 là hiệu suất trung bình của mâm, là một hàm số của độ bay hơi

tương đối và độ nhớt của hỗn hợp lỏng: 𝜂𝜂 = f (α,µ)
𝑁𝑁𝑡𝑡𝑡𝑡 : Số mâm thực tế

𝑁𝑁𝑙𝑙𝑙𝑙 : Số mâm lý thuyết

Xác định hiệu suất 𝜼𝜼 = 𝒇𝒇(𝜶𝜶, 𝝁𝝁)

Độ bay hơi tương đối của cấu tử dễ bay hơi
𝛼𝛼 =

𝑦𝑦 ∗ 1 − 𝑥𝑥
.
1 − 𝑦𝑦 ∗ 𝑥𝑥

Với 𝑥𝑥: phân mol của rượu trong pha lỏng

𝑦𝑦 ∗ : phân mol của rượu trong pha hơi cân bằng với pha lỏng

Tại vị trí nhập liệu:

𝑥𝑥𝐹𝐹 = 0,25, ta tra đồ thị cân bằng của hệ: 𝑦𝑦 ∗ 𝐹𝐹 = 0,555, 𝑡𝑡𝐹𝐹 = 82,3 oC
𝑦𝑦 ∗ 𝐹𝐹 1 − 𝑥𝑥𝐹𝐹
.
= 3,74
𝛼𝛼𝐹𝐹 =
1 − 𝑦𝑦 ∗ 𝐹𝐹 𝑥𝑥𝐹𝐹

𝑥𝑥𝐹𝐹 = 0,46 và 𝑡𝑡𝐹𝐹 = 82,3 oC, nội suy từ bảng I.101, [7]
���
𝜇𝜇𝐹𝐹 = 0,58. 10−3 𝑁𝑁. 𝑠𝑠/𝑚𝑚2

𝛼𝛼𝐹𝐹 . 𝜇𝜇𝐹𝐹 = 2,1692, tra bảng ([8], IX.11/171) 𝜂𝜂𝐹𝐹 = 0,41

Tại vị trí mâm đáy:

𝑥𝑥𝑊𝑊 = 0,003527, ta tra đồ thị cân bằng của hệ: 𝑦𝑦 ∗ 𝑊𝑊 = 0,051, 𝑡𝑡𝑊𝑊 = 98,9 oC
𝛼𝛼𝑊𝑊

𝑦𝑦 ∗ 𝑊𝑊 1 − 𝑥𝑥𝑊𝑊
=
.
= 13,38
1 − 𝑦𝑦 ∗ 𝑊𝑊 𝑥𝑥𝑊𝑊

𝑥𝑥𝑊𝑊 = 0,01 và 𝑡𝑡𝑊𝑊 = 98,9 oC, nội suy từ bảng I.101, [7]
����
𝜇𝜇𝐹𝐹 = 0,284. 10−3 𝑁𝑁. 𝑠𝑠/𝑚𝑚2

𝛼𝛼𝑊𝑊 . 𝜇𝜇𝑊𝑊 = 3,8, tra bảng ([8], IX.11/171) 𝜂𝜂𝑊𝑊 = 0,36

Tại vị trí mâm đỉnh:

11


Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học
𝑥𝑥𝐷𝐷 = 0,85, ta tra đồ thị cân bằng của hệ: 𝑦𝑦 ∗ 𝐷𝐷 = 0,86, 𝑡𝑡𝐹𝐹 = 78,5 oC
𝑦𝑦 ∗ 𝐷𝐷 1 − 𝑥𝑥𝐷𝐷
.
= 1,084
𝛼𝛼𝐷𝐷 =
1 − 𝑦𝑦 ∗ 𝐷𝐷 𝑥𝑥𝐷𝐷

𝑥𝑥𝐷𝐷 = 0,935 và 𝑡𝑡𝐷𝐷 = 78,5 oC, nội suy từ bảng I.101, [7]
���

𝜇𝜇𝐹𝐹 = 0,525. 10−3 𝑁𝑁. 𝑠𝑠/𝑚𝑚2

𝛼𝛼𝐷𝐷 . 𝜇𝜇𝐷𝐷 = 0,56, tra bảng ([8], IX.11/171) 𝜂𝜂𝐷𝐷 = 0,575
Hiệu suất mâm trung bình của tháp:
𝜂𝜂𝑡𝑡𝑡𝑡 =

𝜂𝜂𝐹𝐹 + 𝜂𝜂𝑊𝑊 + 𝜂𝜂𝐷𝐷
= 0,4483
3

Số mâm thực tế của tháp:

𝑁𝑁𝑡𝑡𝑡𝑡 =

28
= 62 𝑚𝑚â𝑚𝑚
0,4483

Vậy chọn 𝑁𝑁𝑡𝑡𝑡𝑡 = 62 mâm gồm:15 mâm chưng, 1 mâm nhập liệu, 46 mâm cất
Cân bằng vật chất cho thiết bị ngưng tụ hồi lưu:

𝐺𝐺𝑙𝑙 = 𝐿𝐿𝑜𝑜 + 𝐷𝐷 = (𝑅𝑅 + 1). 𝐷𝐷

Suất lượng mol của dòng hơi tại đỉnh tháp:

𝐺𝐺𝑙𝑙 = 𝐿𝐿𝑜𝑜 + 𝐷𝐷 = (𝑅𝑅 + 1). 𝐷𝐷 = (2,974 + 1). 29,23 = 116,16 (kmol/h)

Suất lượng mol của dịng hồn lưu:

𝐿𝐿𝑜𝑜 = 𝑅𝑅𝑅𝑅 = 2,974.29,23 = 71,15 (kmol/h)

Do lưu lượng mol của các dòng pha đi trong mỗi đoạn tháp là không đổi nên:
𝐿𝐿 = 𝐿𝐿𝑜𝑜 = 86,93 (kmol/h)

𝐺𝐺 = 𝐺𝐺𝑙𝑙 = 116,16 (kmol/h)

Cân bằng vật chất cho đĩa nhập liệu: Do trạng thái lỏng sôi nên:

𝐿𝐿′ = 𝐹𝐹 + 𝐿𝐿 = 82,16 + 71,15 = 153,31 (kmol/h)

12


Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học
3. CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
Các thông số:
𝑥𝑥𝐹𝐹 = 0,25, tFS= 82,3oC

𝑥𝑥𝐷𝐷 = 0,25, tDS= 78,5oC

𝑥𝑥𝑊𝑊 = 0,003527, tWS= 98,9oC

Chọn hơi đốt là hơi nước bão hòa ở áp suất tuyệt đối 2.5 at
Tra (bảng 57/46, [6]):

Nhiệt ngưng tụ: rR= 852,56 (kJ/kg), rn= 2385,32 (kJ/kg)
Nhiệt độ ngưng tụ: 78,5oC
Sản phẩm đỉnh và đáy làm nguội xuống 40oC
3.1. Cân bằng nhiệt lượng lượng cho tháp chưng cất
Phương trình cân bằng năng lượng

𝑄𝑄𝐹𝐹 + 𝑄𝑄𝐷𝐷1 + 𝑄𝑄𝑅𝑅 = 𝑄𝑄𝑌𝑌 + 𝑄𝑄𝑊𝑊 + 𝑄𝑄𝑥𝑥𝑥𝑥1 + 𝑄𝑄𝑛𝑛𝑛𝑛1 (IX.156/197, [8])

Nhiệt lượng do hỗn hợp nhập liệu mang vào 𝑄𝑄𝐹𝐹 :

𝑄𝑄𝐹𝐹 = 𝐺𝐺𝐹𝐹 . 𝐶𝐶𝐹𝐹 . 𝑡𝑡𝐹𝐹 (IX.156/197, [8])

𝐺𝐺𝐹𝐹 = 2054,03 (kJ/kg), tF=82,3oC, CF: 3,77 (kJ/kg.độ) (bảng I.154, [7])

𝑄𝑄𝐹𝐹 = 2054,03.3770.82,3 = 637,3. 106 (J/h) = 177,02 (kW)

Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp 𝑄𝑄𝐷𝐷1 :

𝑄𝑄𝐷𝐷1 = 𝐷𝐷1 . 𝜆𝜆ℎ = 𝐷𝐷1 . (𝑟𝑟ℎơ𝑖𝑖 + 𝐶𝐶ℎơ𝑖𝑖 . 𝑡𝑡ℎơ𝑖𝑖 ) (IX.156/197, [8])

Nhiệt lượng do lưu lượng lỏng hồi lưu mang vào 𝑄𝑄𝑅𝑅 :

𝑄𝑄𝑅𝑅 = 𝐺𝐺𝑅𝑅 . 𝐶𝐶𝑅𝑅 . 𝑡𝑡𝑅𝑅 (IX.158/197, [8])

𝑄𝑄𝑅𝑅 = 1000.2,974.3270.78,5 = 212 (kW)

Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp 𝑄𝑄𝑌𝑌 :

𝑄𝑄𝑌𝑌 = 𝐺𝐺𝐷𝐷 (1 + 𝑅𝑅). 𝜆𝜆𝐷𝐷 (IX.159/197, [8])

Nhiệt lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp 𝜆𝜆𝐷𝐷 : 𝜆𝜆𝐷𝐷 = 𝜆𝜆𝐸𝐸𝐸𝐸ℎ𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 . 𝑦𝑦
���
𝑦𝑦𝐷𝐷
𝐷𝐷 + 𝜆𝜆𝑛𝑛ướ𝑐𝑐 . (1 − ���)
Với ���
𝑦𝑦𝐷𝐷 = 0,935 (phần khối lượng)

𝜆𝜆𝐸𝐸𝐸𝐸ℎ𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 , 𝜆𝜆𝑛𝑛ướ𝑐𝑐 : Nhiệt lượng riêng của ethanol, nước (tại 78,5oC)

→𝜆𝜆𝐷𝐷 = 1100.0,935 + 2676,3. (1 − 0,935) = 1202,46 (kJ/kg)
→𝑄𝑄𝑌𝑌 = 1000. (1 + 2,974). 1202,46 = 1327,38 (kW)

Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra 𝑄𝑄𝑤𝑤 :
13


Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học
𝑄𝑄𝑤𝑤 = 𝐺𝐺𝑤𝑤 . 𝐶𝐶𝑤𝑤 . 𝑡𝑡𝑤𝑤 (IX.160/197, [8])

𝐺𝐺𝑤𝑤 : 1054,03 (kg/h), 𝑡𝑡𝑤𝑤 : 98,9oC.

Nhiệt dung riêng của dung dịch ethanol 1% ở 98,9oC ta xem như nhiệt dung
riêng của nước ở 100oC, 𝐶𝐶𝑤𝑤 = 4218,75 (J/kg.độ).

→𝑄𝑄𝑤𝑤 = 1054,03.4218,75.98,9 = 122,16 (kW)

Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh 𝑄𝑄𝑥𝑥𝑥𝑥1 : Lấy 𝑄𝑄𝑥𝑥𝑥𝑥1 = 5%𝐷𝐷1 𝑟𝑟ℎơ𝑖𝑖
Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra 𝑄𝑄𝑛𝑛𝑛𝑛1 (J/h)

𝑄𝑄𝑛𝑛𝑛𝑛1 = 𝐷𝐷1 . 𝐶𝐶ℎơ𝑖𝑖 . 𝑡𝑡ℎơ𝑖𝑖 (IX.160/197, [8])

Vậy lương hơi đốt cần thiết để đun sôi dung dịch ở đáy tháp:
𝐷𝐷1 =

𝑄𝑄𝑌𝑌 + 𝑄𝑄𝑊𝑊 − 𝑄𝑄𝐹𝐹 − 𝑄𝑄𝑅𝑅
𝑘𝑘𝑘𝑘

= 1835 ( )
ℎ
0,95𝑟𝑟ℎơ𝑖𝑖

rhơi của hơi bão hòa 2.5 at = 2189,5 (kJ/kg)

Bảng III.1: Tóm tắt năng lượng thiết bị đun nóng dịng nhập liệu
Nhiệt lượng

kJ/h

kW

QD1

9019010

1393.01

QY

4778568

1327,38

Qw

439776

122,16

QF

637272

177,02

QR

763200

212

Qxq1

201434

56

Qng1

995364

276,49

3.2. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ
Phương trình cân bằng năng lượng
𝐺𝐺𝐷𝐷 . 𝑟𝑟𝐷𝐷 . (𝑅𝑅 + 1) = 𝐺𝐺𝑛𝑛1 . 𝐶𝐶𝑛𝑛 . (𝑡𝑡2 − 𝑡𝑡1 )

Chọn nhiệt độ vào của nước 𝑡𝑡1 =30oC, nhiệt độ đầu ra của nước là 𝑡𝑡2 = 50oC.

Nhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ trung bình 40oC Cn= 4181,11 (J/kg.độ).

Ẩn nhiệt hóa hơi tại 𝑡𝑡𝐷𝐷 = 78,5oC: 𝑟𝑟𝑛𝑛ướ𝑐𝑐 = 2385,32 (kJ/kg); 𝑟𝑟𝑒𝑒𝑒𝑒ℎ𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 = 852,56

(kJ/kg).

Với 𝑥𝑥
���
𝐷𝐷 = 0,935 => 𝑟𝑟𝐷𝐷 = 952,19 (kJ/kg)
14


Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học
𝐺𝐺𝑛𝑛1 =

𝐺𝐺𝐷𝐷 . 𝑟𝑟𝐷𝐷 . (𝑅𝑅 + 1)
𝑘𝑘𝑘𝑘
𝑘𝑘𝑘𝑘
= 45251 � � = 12,57 � �
ℎ
𝑠𝑠
𝐶𝐶𝑛𝑛 . (𝑡𝑡2 − 𝑡𝑡1 )

3.3. Cân bằng năng lượng cho thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh
Phương trình cân bằng năng lượng

𝐺𝐺𝐷𝐷 . 𝐶𝐶𝐷𝐷 . (𝑡𝑡𝐷𝐷 − 𝑡𝑡𝑟𝑟𝑟𝑟 ) = 𝐺𝐺𝑛𝑛2 . 𝐶𝐶𝑛𝑛 . (𝑡𝑡2 − 𝑡𝑡1 ) (IX.167/198, [8])

Nhiệt độ vào và ra của sản phẩm đỉnh: 𝑡𝑡𝐷𝐷 = 78,5oC, 𝑡𝑡𝑟𝑟𝑟𝑟 = 45oC

Nhiệt độ trung bình của sản phẩm đỉnh: (78,5 + 45)/2= 61,75oC

Nhiệt dung riêng sản phẩm đỉnh ở 61,75oC: 𝐶𝐶𝐷𝐷 = 2684 (J/kg.oC)

Nhiệt độ vào và ra của nước: 𝑡𝑡1 =30oC; 𝑡𝑡2 = 40oC
→ Nhiệt độ trung bình: 35oC.

Nhiệt dung riêng của nước ở 35oC: Cn= 4181,11 (J/kg.độ).
Lượng nước lạnh tiêu tốn
𝐺𝐺𝑛𝑛2 =

𝐺𝐺𝐷𝐷 . 𝐶𝐶𝐷𝐷 . (𝑡𝑡𝐷𝐷 − 𝑡𝑡𝑟𝑟𝑟𝑟 )
𝑘𝑘𝑘𝑘
= 2150,48 � �
𝐶𝐶𝑛𝑛 . (𝑡𝑡2 − 𝑡𝑡1 )
ℎ

3.4. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị đun nóng dịng nhập liệu
Phương trình cân bằng năng lượng
𝑄𝑄𝐷𝐷2 + 𝑄𝑄𝑓𝑓 = 𝑄𝑄𝐹𝐹 + 𝑄𝑄𝑛𝑛𝑛𝑛2 + 𝑄𝑄𝑥𝑥𝑥𝑥2 (IX.149/196, [8])

𝑄𝑄𝐷𝐷2 : Nhiệt lượng dòng hơi đốt mang vào (J/h)

𝑄𝑄𝑓𝑓 : Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào (J/h)
𝑄𝑄𝐹𝐹 : Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra (J/h)

𝑄𝑄𝑛𝑛𝑛𝑛2 : Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra (J/h)

𝑄𝑄𝑥𝑥𝑥𝑥2 : Nhiệt lượng mất mát (J/h)

Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào 𝑄𝑄𝑓𝑓 = 𝐺𝐺𝐹𝐹 . 𝐶𝐶𝑓𝑓 . 𝑡𝑡𝑓𝑓

Nhiệt độ đầu vào của hỗn hợp là 𝑡𝑡𝑓𝑓 = 30oC

Nhiệt dung riêng của dung dịch ethanol 25% tại 30oC là: 𝐶𝐶𝑓𝑓 =

4047,3 (J/kg.độ)

→ 𝑄𝑄𝑓𝑓 = 2054,03.4047,3.30 = 249,4. 106 (J/h)

Nhiệt lượng do hỗn hợp mang ra: 𝑄𝑄𝐹𝐹 = 637272 (kJ/h)

Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào: 𝑄𝑄𝐷𝐷2 = 𝐷𝐷2 . 𝜆𝜆ℎơ𝑖𝑖 = 𝐷𝐷2 . (𝑟𝑟ℎơ𝑖𝑖 + 𝐶𝐶ℎơ𝑖𝑖 . 𝑡𝑡ℎơ𝑖𝑖 )

Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra: 𝑄𝑄𝑛𝑛𝑛𝑛2 = 𝐷𝐷2 . 𝐶𝐶ℎơ𝑖𝑖 . 𝑡𝑡ℎơ𝑖𝑖
15


Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học
Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh: 𝑄𝑄𝑥𝑥𝑥𝑥2 = 5%𝐷𝐷2 . 𝑟𝑟ℎơ𝑖𝑖
Vậy lượng hơi nước cần cung cấp để đun nóng hỗn hợp ban đầu:
𝐷𝐷2 =

𝑄𝑄𝐹𝐹 − 𝑄𝑄𝑓𝑓
𝑘𝑘𝑘𝑘
= 164,84 ( )
ℎ
0,95𝑟𝑟

16


Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học
4. TÍNH TỐN THIẾT BỊ CHÍNH – THIẾT BỊ NGƯNG TỤ
4.1. Tính kích thước thiết bị
Chọn thiết bị truyền nhiệt vỏ - ống loại TH đặt nằm ngang.
Ống truyền nhiệt được làm bằng thép X18H10T:
• Đường kính ngồi: dng = 25mm
• Bề dày ống: 2,5 mm
• Đường kính trong: dtr = 20 mm
Dịng nước giải nhiệt đi trong ống
• Tv= 30oC
• Tr= 50oC
• Nhiệt độ trung bình
𝑡𝑡𝑛𝑛 =

𝑡𝑡𝑣𝑣 +𝑡𝑡𝑟𝑟
2

= 40oC

Hơi ngưng tụ hồn toàn thành lỏng ở nhiệt độ ngưng tụ ts= 78,5oC
Lượng nước cần dùng: Gn= 45251 (kg/h)
Xác định ∆𝑡𝑡𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 :

• Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều nên:
∆𝑡𝑡𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 =

Xác định hệ số truyền nhiệt K:

50 − 30
= 39,5𝑜𝑜 𝐶𝐶
78,5 − 30
𝑙𝑙𝑙𝑙
78,5 − 50
𝑑𝑑𝑛𝑛𝑛𝑛

• Hệ số truyền nhiệt được tính theo cơng thức

Trong đó:

𝐾𝐾 =

1

1
1
+ ∑ 𝑟𝑟1 +
∝1
∝2

𝑑𝑑𝑡𝑡𝑡𝑡

=

25
20

𝑊𝑊

. 𝐾𝐾)
𝑚𝑚2

(

< 1,4

 ∝1 : Hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ (W/m2.K)
 ∝2 : Hệ số cấp nhiệt của nước (W/m2.K)

 ∑ 𝑟𝑟1 : Nhiệt trở qua thành ống và lớp cáu.

Nhiệt tải quả thành ống và lớp cáu:
𝑞𝑞𝑡𝑡 =

𝑡𝑡𝑣𝑣1 − 𝑡𝑡𝑣𝑣2
∑ 𝑟𝑟𝑡𝑡
17


Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học
Trong đó:
 𝑡𝑡𝑣𝑣1 : Nhiệt độ của vách tiếp xúc với hơi ngưng tụ oC

 𝑡𝑡𝑣𝑣2 : Nhiệt độ của vách tiếp xúc với nước oC
 ∑ 𝑟𝑟𝑡𝑡 =

𝛿𝛿𝑡𝑡
𝜆𝜆

+ 𝑟𝑟1 + 𝑟𝑟2

Bề dày ống: 𝛿𝛿𝑡𝑡 = 0,0025 (m)

Tra bảng XII.7/313 [8]
 Hệ số dẫn nhiệt của thép không gỉ: 𝜆𝜆 = 16,3 (W/mK)

Tra bảng 31/419 sách ví dụ và bài tập

 Nhiệt trở lớp bẩn bên ngoài ống: r1= 1/5800 (m2.K/W)
 Nhiệt trở lớp bẩn bên trong ống: r2= 1/5000 (m2.K/W)
� 𝑟𝑟𝑡𝑡 =
𝑞𝑞𝑡𝑡 =

𝛿𝛿𝑡𝑡
0,0025
1
1
+ 𝑟𝑟1 + 𝑟𝑟2 =
+
+
16,3
5800 5000
𝜆𝜆
= 5,26. 10−4 (𝑚𝑚2 .

𝑡𝑡𝑣𝑣1 − 𝑡𝑡𝑣𝑣2
𝑡𝑡𝑣𝑣1 − 𝑡𝑡𝑣𝑣2
=
∑ 𝑟𝑟𝑡𝑡

5,26. 10−4

𝐾𝐾
)
𝑊𝑊

Hệ số cấp nhiệt của nước (trong ống):
Ở tn= 40oC

• Khối lượng riêng của nước: 𝜌𝜌𝑛𝑛 = 992 (kg/m3)

• Độ nhớt của nước: 𝜇𝜇𝑛𝑛 = 0,000657 (N.s/m2)

• Hệ số dẫn nhiệt của nước: 𝜆𝜆𝑛𝑛 = 0,634 (W/mK)

• Chuẩn số Prandt: 𝑃𝑃𝑃𝑃𝑛𝑛 = 4,31

Chọn vận tốc nước đi trong ống: 𝑣𝑣𝑛𝑛 = 0,45 (m/s)
→ 𝑛𝑛 =

𝐺𝐺𝑛𝑛

.

4

2 .𝑣𝑣
3600𝜌𝜌𝑛𝑛 𝜋𝜋.𝑑𝑑𝑡𝑡𝑡𝑡
𝑛𝑛

Chọn n= 90 ống

2
𝑑𝑑𝑡𝑡𝑡𝑡
𝐺𝐺𝑛𝑛 = 𝑣𝑣𝑛𝑛 . 𝑆𝑆 = 𝑣𝑣𝑛𝑛 . 𝑛𝑛. 𝜋𝜋.
4

=

45251

.

4

3600.992 𝜋𝜋.0,022 .0,45

= 89,6 ố𝑛𝑛𝑛𝑛

Chuẩn số Reynolds:
𝑅𝑅𝑅𝑅𝑛𝑛 =

𝑣𝑣𝑛𝑛. 𝑑𝑑𝑡𝑡𝑡𝑡 . 𝜌𝜌𝑛𝑛
= 13589,04
𝜇𝜇𝑛𝑛

𝑅𝑅𝑅𝑅𝑛𝑛 = 13589,4 > 104 : Chế độ chảy rối
18

Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học
Áp dụng cơng thức V.40/17 [8]
𝑃𝑃𝑃𝑃𝑛𝑛 0,25 114,87
)
=
𝑃𝑃𝑃𝑃𝑣𝑣
𝑃𝑃𝑃𝑃𝑣𝑣0,25

𝑁𝑁𝑁𝑁𝑛𝑛 = 0,021. 𝑅𝑅𝑅𝑅 0,8 . 𝑃𝑃𝑃𝑃𝑛𝑛0,43 . (

 𝑃𝑃𝑃𝑃𝑛𝑛 : Hệ số Prandtl tại nhiệt độ trung bình dịng lỏng trong ống
 𝑃𝑃𝑃𝑃𝑣𝑣 : Hệ số Prandtl tại nhiệt độ tm

 𝑡𝑡𝑚𝑚 =

𝑡𝑡1 +𝑡𝑡𝑣𝑣1
2

=

78,5+𝑡𝑡𝑣𝑣1
2

Hệ số cấp nhiệt của nước trong ống tính gần đúng với công thức V.110/32 [8]
∝𝑛𝑛 =

𝑁𝑁𝑁𝑁𝑛𝑛 . 𝜆𝜆𝑛𝑛 3641,379
=
𝑑𝑑𝑡𝑡𝑡𝑡
𝑃𝑃𝑃𝑃𝑣𝑣0,25

 Nhiệt tải của nước trong ống:

𝑞𝑞𝑛𝑛 =∝𝑛𝑛 . (𝑡𝑡𝑣𝑣2 − 𝑡𝑡𝑛𝑛 ) =

3641,379
𝑃𝑃𝑃𝑃𝑣𝑣0,25

Hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đỉnh (trong ống):

. (𝑡𝑡𝑣𝑣2 − 40)

Áp dụng công thức I.561/154 [8]: Đối với ống nằm ngang hệ số cấp nhiệt của
sản phẩm đỉnh ngưng tụ ngoài ống tại nhiệt độ ngưng tụ ts= 78,5oC
4

𝛼𝛼ℎ = 1,28 × �

𝑟𝑟𝐷𝐷 ⋅ 𝜌𝜌2 ⋅ 𝜆𝜆3
𝑑𝑑𝑛𝑛𝑛𝑛 ⋅ 𝜇𝜇 ⋅ (𝑡𝑡𝑠𝑠 − 𝑡𝑡𝑣𝑣1 )

• Khối lượng riêng của sản phẩm đỉnh ngưng tụ ngoài ống:
Ts= 78,5oC →𝜌𝜌𝑛𝑛 = 971 (kg/m3), 𝜌𝜌𝑅𝑅 = 733,3 (kg/m3)

→

1

𝜌𝜌𝐷𝐷

=

����
𝑥𝑥𝐷𝐷
𝜌𝜌𝑅𝑅

+

����)
(1−𝑥𝑥
𝐷𝐷
𝜌𝜌𝑛𝑛

=

→𝜌𝜌𝐷𝐷 = 745 (kg/m3)

0,935

733,3

+

1−0,935
971

• Độ nhớt của nước: 𝜇𝜇 = 0,00068 (N.s/m2)

• Hệ số dẫn nhiệt của nước: 𝜆𝜆 = 0,63 (W/mK)

• Nhiệt ngưng tụ sản phẩm đỉnh ngoài ống: 𝑟𝑟𝐷𝐷 = 952,2 (kJ/kg)
𝑟𝑟𝐷𝐷 ⋅ 𝜌𝜌2 ⋅ 𝜆𝜆3
𝛼𝛼𝐷𝐷 = 1,28 × �
𝑑𝑑𝑛𝑛𝑛𝑛 ⋅ 𝜇𝜇 ⋅ (𝑡𝑡𝑠𝑠 − 𝑡𝑡𝑣𝑣1 )
4

952,2. 103 . 7452 . 0,633
= 1,28�
0,025.0,00068. (78,5 − 𝑡𝑡𝑣𝑣1 )
4

19


Đồ án Thiết kế Kỹ thuật Hóa học
=

12018
𝑊𝑊
( 2 )
0,25
(78,5 − 𝑡𝑡𝑣𝑣1 )
𝑚𝑚 𝐾𝐾

• Tra hình V.20/30 [8]: Hệ số phụ thuộc vào cách bố trí ống và số ống
trong mỗi dãy thẳng đúng là 𝜀𝜀 = 0,6

Hệ số cấp nhiệt trung bình của chùm ống
∝𝑡𝑡𝑡𝑡 = 𝜀𝜀. ∝𝐷𝐷 = 0,6. ∝𝐷𝐷 =

• Nhiệt tải ngồi thành ống

𝑞𝑞𝐷𝐷 =∝𝑡𝑡𝑡𝑡 . (𝑡𝑡𝑠𝑠 − 𝑡𝑡𝑣𝑣1 ) =

7210,8
𝑊𝑊
(
)
(78,5 − 𝑡𝑡𝑣𝑣1 )0,25 𝑚𝑚2 𝐾𝐾

7210.8
. (78.5 − 𝑡𝑡𝑣𝑣1 )
(78,5 − 𝑡𝑡𝑣𝑣1 )0,25

• Xem nhiệt tải mất mát là không đáng kể: 𝑞𝑞𝑡𝑡 = 𝑞𝑞𝐷𝐷 (W/m2)
𝑞𝑞𝐷𝐷 =

𝑡𝑡𝑣𝑣1 − 𝑡𝑡𝑣𝑣2
7210.8
)
(
=
.
78.5
−
𝑡𝑡
𝑣𝑣1
(78,5 − 𝑡𝑡𝑣𝑣1 )0,25
5,26. 10−4

→ 𝑡𝑡𝑣𝑣2 = 𝑡𝑡𝑣𝑣1 − 5,26. 10−4 . 𝑞𝑞𝐷𝐷

→ 𝑞𝑞𝑛𝑛 =

3641,379
𝑃𝑃𝑃𝑃𝑣𝑣0,25

• Kiểm tra sai số:
𝜀𝜀 =

. (𝑡𝑡𝑣𝑣2 − 40)

|𝑞𝑞𝑛𝑛 − 𝑞𝑞𝐷𝐷 |
. 100% < 0.5%
𝑞𝑞𝐷𝐷

Dùng phép lặp ta thu được kết quả

70.3

𝑡𝑡𝑣𝑣1

7102

∝𝐷𝐷

∝𝑡𝑡𝑡𝑡

4261.2

𝑞𝑞𝑡𝑡

34942

𝑡𝑡𝑚𝑚

74.4

𝑁𝑁𝑁𝑁𝑛𝑛

91.909

𝑞𝑞𝑛𝑛

34731

𝑞𝑞𝐷𝐷

34942

𝑡𝑡𝑣𝑣2

51.9

𝑃𝑃𝑃𝑃𝑣𝑣

2.44
2913.5

∝𝑛𝑛

20