Thiết kế tháp đệm làm việc ở áp suất thường chưng cất liên tục hỗn hợp hai cấu tử acetone – nước

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC VÀ THỰC PHẨM

ĐỒ ÁN Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ TRONG CNTP
Đề tài: THIẾT

KẾ THÁP ĐỆM LÀM VIỆC Ở ÁP SUẤT
THƯỜNG CHƯNG CẤT LIÊN TỤC HỖN HỢP
HAI CẤU TỬ ACETONE – NƯỚC

GVHD: PGS.TS TRỊNH VĂN DŨNG

Tp. Hồ Chí Minh ngày 20 tháng 12 năm 2019


Nội dung
LỜI MỞ ĐẦU................................................................................................................... 4
1. Mở đầu.......................................................................................................................... 5
2. Thuyết minh quy trình cơng nghệ............................................................................... 6
3. Tính tốn cân bằng vật chất........................................................................................ 7
3.1 Cân bằng vật chất................................................................................................... 7
3.2. Tìm chỉ số hồi lưu tối thiểu.................................................................................. 10
3.3. Chỉ số hồi lưu thích hợp....................................................................................... 11
4. Tính tốn thiết kế thiết bị chính................................................................................ 21
4.1. Tính tốn đường kính tháp................................................................................. 21
4.1.1. Đường kính đoạn cất..................................................................................... 21
4.1.2. Đường kính đoạn chưng................................................................................ 25
4.2. Chiều cao.............................................................................................................. 26
4.3. Tính trở lực cho tháp........................................................................................... 28
5. Chọn và thiết kế kết cấu thiết bị................................................................................ 31
5.1. Tính các đường kính ống..................................................................................... 31

5.1.1. Tính đường ống dẫn sản phẩm đỉnh............................................................ 31
5.1.2. Tính đường kính ống dẫn hồi lưu sản phẩm đỉnh....................................... 31
5.1.3. Ống hơi nhập liệu.......................................................................................... 32
5.1.4. Đường kính ống dẫn sản phẩm đáy.............................................................. 32
5.1.5. Đường ống hồi lưu sản phẩm đáy................................................................. 32
5.2. Tính bề dày thiết bị chính.................................................................................... 33
5.3. Tính đáy và nắp thiết bị....................................................................................... 35
5.4. Tra bích................................................................................................................. 36
5.5. Tính lưới đỡ đệm, dầm đỡ đệm, đĩa phân phối chất lỏng................................. 38
5.6. Tính chân đỡ........................................................................................................ 39
5.7. Tính lớp cách nhiệt:............................................................................................. 40
6. Tính toán thiết bị phụ................................................................................................ 41
6.1. Bồn cao vị.............................................................................................................. 41
6.1.1. Hệ số ma sát trong đường ống...................................................................... 42
6.1.2. Trở lực cục bộ................................................................................................ 43


6.1.3. Tổn thất đường ống dẫn qua thiết bị đun sôi nhập liệu.............................. 43
6.1.4. Trở lực............................................................................................................ 44
6.2. Bơm....................................................................................................................... 45
6.3. Thiết bị gia nhiệt nhập liệu.................................................................................. 48
KẾT LUẬN..................................................................................................................... 53
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................. 54
DAH MỤC BẢNG
Bảng 1: : Một số đặc điểm đặc trưng của acetone......................................................... 5
Bảng 2: Nồng độ của pha lỏng và hơi theo đổi theo nhiệt độ..................................... 10
Bảng 3: Số đĩa lý thuyết tương ứng với số bậc thay đổi nồng độ................................12
Bảng 4: Các thông số kỹ thuật của bề dày thiết bị....................................................... 33
Bảng 5: Thơng số bích nối............................................................................................. 37
Bảng 6: Thơng số của bích nối ống.............................................................................. 37

Bảng 7: Kích thước của các đoạn ống nối.................................................................... 37
Bảng 8: Thơng số đĩa phân phối lỏng........................................................................... 38
Bảng 9: Thơng số kích thước chân đỡ.......................................................................... 40


LỜI MỞ ĐẦU
Cùng với sự phát triển của khoa học nói chung và ngành cơng nghệ thực phẩm
nói riêng có sử dụng hóa chất, con người ngày càng có những đòi hỏi cao về các hợp chất
tinh khiết để sử dụng trong những thí nghiệm mơ phỏng hay ngành cơng nghiệp của riêng
nó. Vì thế các phương pháp để có thể nâng cao được độ tinh khiết của sản phẩm và phù
hợp với yêu cầu sử dụng được chú trọng.
Các phương pháp như cô đặc, chưng cất, hấp thu được sử dụng để phân tách các
chất với mức độ tinh khiết cao. Tuy nhiên, tùy theo đặc tính của sản phẩm mà ta chọn
phương pháp thích hợp để sử dụng. Đối với hệ 2 cấu tử acetone – nước là hệ 2 cấu tử
lỏng tan hoàn toàn vào nhau, nên ta dùng phương pháp chưng cất để phân riêng và làm
tăng độ tinh khiết cho acetone.
Đồ án môn học Các q trình và thiết bị trong Cơng nghệ thực phẩm là một
mơn học mang tính tổng hợp các kiến thức trong suốt quá trình học tập, đặc biệt là Cơ
học – Thủy lực – Khí nén, Truyền nhiệt, Truyền khối và kết hợp với kiến thức vẽ kỹ thuật
mà sinh viên ngành Cơng nghệ thực phẩm đã được tìm hiểu. Môn học này giúp sinh viên
hiểu được các phương pháp tính tốn về kết cấu, cơng nghệ và hướng đi trong cách thức
xây dựng mơ hình máy móc hay nhà xưởng. Đồng thời, đây cũng là bước đầu giúp sinh
viên vận dụng những kiến thức đã học để vận dụng tính tốn một cách tổng hợp và khai
thác những khả năng yêu cầu về việc tự học, phân bổ thời gian, và chịu đựng áp lực dưới
hạn nộp bài của sinh viên.
Nhiệm vụ của đồ án Các quá trình và thiết bị trong Công nghệ thực phẩm là:
Thiết kế tháp đệm làm việc ở áp suất thường để chưng cất liên tục hỗn hợp hai cấu tử
Acetone- nước với năng suất tính theo sản phẩm 5000 kg/h có nồng độ đầu là 37% , nồng
độ đỉnh là 99.5% và sản phẩm đáy là 0.5% khối lượng acetone.

1. Mở đầu
Acetone là hợp chất hữu cơ có cơng thức là CH 3COCH3. Nó là chât lỏng dễ cháy,
khơng màu, có mùi thơm và là dạng acetone đơn giản nhất.
Acetone tan vô hạn trong nước và cũng dễ dàng được giải phóng ra khỏi các dung
dịch nên được dùng làm dung mơi để tổng hợp nhiều loại hóa chất, kể cả một số polyme.
Ngồi ra cịn là chất dùng để làm sạch trong phịng thí nghiệm và ứng dụng để tổng hợp các
chất hữu cơ như clorofom, idofom, bisphenol-A,..và nó cũng có trong thành phần của sơn
móng tay.
Acetone 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 Acetate
của bồ tạt và soda: là một phân đoạn lỏng nằm giữa phân đoạn rượu và eter.
Bảng 1: : Một số đặc điểm đặc trưng của acetone
Điểm nóng chảy

- 94.7°C

Nhiệt độ sơi

56.05°C

Tỷ trọng

0.7845 g/cm3 (25°C)

Khối lượng phân tử

58.08 g/mol

Nhiệt dung riêng Cp

22 Kcal/mol (chuẩn ở 102°C)

Nhiệt trị

0.5176 cal/g (ở 20°C)

Do acetone là một chất lỏng tan trong nước, nhiệt độ sôi (56.1 ℃ ở 760 mmHg) và
nước (100℃ ở 760 mmHg), khoảng nhiệt độ khá là cách xa nhau và đồng thời hỗn hợp này
khơng có điểm đẳng phí nên phương pháp hiệu quả nhất để thu Acetone tinh khiết là chưng
cất liên tục dựa vào nhiệt độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp.
Có nhiều thiết bị chưng cất có thể được sử dụng để tách được 2 cấu tử trong hỗn
hợp acetone-nước, mỗi thiết bị đều có những đặc điểm khác nhau. Tháp đệm là một trong
những thiết bị đó được dùng phổ biến với cấu tạo khá đơn giản và có những ưu điểm cũng
như đặc điểm sau:
5


- Ưu điểm: Hiệu suất cao, chế tạo đơn giản, trở lực thấp và diện tích bề mặt riêng
lớn. Vật liệu đệm cần có khối lượng riêng nhỏ và bền về hóa học.
- Nhược điểm: Sự phân bố các pha theo tiết diện khơng đều (có thể do tháp cao) nên
khó làm ướt đều đệm.
Chưng là q trình tách hỗn hợp chất lỏng (hỗn hợp khí hóa lỏng) thành những cấu
tử riêng biệt dựa trên độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp. Chưng khác với cơ
đặc là trong q trình bay hơi, các cấu tử đều bay hơi, cịn cơ đặc thì chỉ dung mơi bay hơi,
chất tan khơng bay hơi. Qúa trình chưng sẽ làm tăng nồng độ của những cấu tử khó bay hơi
(nằm ở vị trí đưa nguyên liệu vào đi xuống đáy tháp). Cất có tác dụng làm tăng nồng độ của
những cấu tử dễ bay hơi (nằm ở vị trí đưa nguyên liệu vô đi lên đỉnh tháp).
Người ta thường gọi chung chưng cất là một phương pháp tách (chiết) dùng nhiệt
để tách hỗn hợp đồng thể (dung dịch) của các chất lỏng khác nhau. Trong đó sản phẩm đỉnh

là những cấu tử có độ bay hơi lớn và một lượng nhỏ của cấu tử có độ bay hơi bé, cịn sản
phẩm đáy là những cấu tử có độ bay hơi bé và một phần rất ít cấu tử bay hơi lớn.
Đối với hệ aceton – nước thì sản phẩm đỉnh chủ yếu là acetone, sản phẩm đáy chủ
yếu là nước.
2. Thuyết minh quy trình cơng nghệ
Hỗn hợp acetone- nước ban đầu có nồng độ 37% (theo khối lượng) từ thùng chứa
nguyên liệu (2) được bơm (1) bơm lên thùng cao vị (3). Mức chất lỏng cao nhất trong thùng
cao vị được giới hạn bởi cửa chảy tràn. Hỗn hợp đầu từ thùng cao vị (3) tự chảy xuống thiết
bị gia nhiệt hỗn hợp đầu (5), quá trình này được kiểm sốt bởi van khóa tự động và lưu
lượng kế (4). Tại thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu (dùng hơi nước bão hòa), hỗn hợp được gia
nhiệt để đạt đến nhiệt độ sơi. Tiếp đó hỗn hợp sẽ được đưa vào tháp chưng cất ở khu vực
nhập liệu của tháp chưng cất là dạng tháp đệm (9).
Ở trong tháp, pha lỏng đi trên xuống tiếp xúc với hơi được tạo thành ở thiết bị gia
nhiệt đáy tháp (11) đi từ dưới lên. Ở đây có sự tiếp xúc và trao đổi giữa hai pha với nhau,


quá trình bốc hơi và ngưng tụ diễn ra nhiều lần. Theo chiều cao của tháp, càng lên cao thì
nhiệt độ


càng thấp nên khi đi hơi đi qua các tầng đệm từ cấu tử có nhiệt độ sơi cao sẽ ngưng tụ, vì thế
thành phần cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi sẽ tăng dần theo chiều cao của tháp. Cuối cùng
trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp mà Aceton chiếm nhiều nhất (99.5% khối lượng) va ở
đáy tháp thu được hỗn hợp lỏng gồm hầu hết cấu tử khó bay hơi (nước). Hỗn hợp hơi này
được đi vào thiết bị ngưng tụ hồi lưu (12) và tại đây nó ngưng tụ hồn tồn (tác nhân là nước
lạnh). Một phần chất lỏng sau q trình ngưng tự khơng đạt thì được hồi lưu trở lại đỉnh
tháp, phần cịn lại được làm lạnh bởi thiết bị làm lạnh (13) để làm lạnh tới nhiệt độ cần thiết
rồi đưa vào thùng chứa sản phẩm đỉnh (10).
Chất lỏng hồi lưu đi từ trên xuống dưới gặp nhiệt có nhiệt độ cao từ dưới lên trên,
một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp (acetone) lại bốc hơi đi lên, một phần khó bay hơi

(nước) trong pha hơi sẽ ngưng tụ đi xuống. Do đó, nồng độ cấu tử khó bay hơi ngày càng
tăng. Cuối cùng, ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng gồm hầu hết cấu tử khó bay hơi(nước),
một phần rất ít cấu tử dễ bay hơi (acetone). Hỗn hợp này được đưa ra khỏi đáy tháp, qua
thiết bị phân dòng, một phần được đưa ra thùng chứa sản phẩm đáy (10), một phần được tận
dụng đưa vào thiết bị gia nhiệt đáy tháp (11). Thiết bị này có tác dụng đun sơi tuần hồn và
bốc hơi hỗn hợp đáy. Nước ngưng của các thiết bị được tháo qua thiết bị tháo nước ngưng để
đem đi xử lý.
Tháp chưng cất làm việc liên tục, hỗn hợp đầu và sản phẩm được cung cấp cũng
như lấy ra liên tục.
3. Tính tốn cân bằng vật chất
3.1 Cân bằng vật chất
Số liệu ban đầu:
-

Năng suất tạo thành sản phẩm: 5000 kg/h.

-

Nồng độ nguyên liệu đầu :37% khối lượng

-

Nồng độ sản phẩm đỉnh: 99.5% khối lượng

-

Nồng độ sản phẩm đáy: 0.5% khối lượng


Kí hiệu các đại lượng:

-

GF , GF’ : lượng nguyên liệu đầu vào, kmol/h, kg/h;

-

GP, GP’: lượng sản phẩm đỉnh, kmol/h, kg/h;

-

GW ,GW’: lượng sản phẩm đáy, kmol/h, kg/h;

-

xF, xF’: nồng độ phần mol của acetone trong nhập liệu (phần mol), (phần khối lượng).

-

xP, xP’: nồng độ phần mol của acetone trong sản phẩm đỉnh (phần mol), (phần khối
lượng).

-

xW, xW’ : nồng độ phần mol của acetone trong sản phẩm đáy (phần mol), (phần khối
lượng).
Các thông số tự chọn:

-

Nhiệt độ nhập liệu: t’F = 25°C

-

Áp suất hơi nước đun sôi ở đáy tháp: p = 2.5 at

-

Nhiệt độ vào, ra của dòng nước làm nguội sản phẩm: tV = 25°C, tR = 40°C

-

Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi làm nguội: tWR =
40°C Phương trình cân bằng vật chất của toàn tháp:
GF = GP + GW
Đối với cấu tử dễ bay hơi (Acetone):
GFxF = GPxP + GWxW
Lượng sản phẩm đáy:
GW = GF − GP


Chuyển đổi từ phần khối lượng sang phần mol:
x =
M1

1−
+ x′
M1
M2

x =

M1

xMW′
1

x =
xW′
M1
+

0.995
58

=

1−
+ xP′
M1
M2

= 0.154 (Phần mol acetone)

0.37
58 1 −
+
0.37
18

x P′

x P′

P

0.37
58

=

XF ′

F

F

xF′

0.995
+
5
8
=

1−
0.995
18
0.005
58

0.005

58
+

1−
x W′
M2

= 0.984 (Phần mol acetone)

= 0.002 (Phần mol acetone)

1−
0.005
18

Khối lượng mol sản phẩm trung bình :
MtbG
F

=
xFM1

= 0.154 × 58 + (1 − 0.37) × 18.24.16 (
+ (1 − )
kmol
M2
xF

MtbGP = xPM1 + (1 − xP)M2 = 0.984 × 58 + (1 − 0.984) × 18
kg

= 57.36 ( )
kmol
MtbGW = XWM1 + (1 − XW)M2 = 0.002 × 58 + (1 − 0.002) × 18
= 18.08 kg
)
(
kmol
Lượng sản phẩm đỉnh:
G P′
5000
kmol
)
GP =
=
= 87.17
MtbGP ( 57.36
h
′

kg

)


Ta có:

GF = 87.17 + GW
GF × 0.154 = 87.17 × 0.984 + Gw × 0.002

 GF = 563.16 kmol/h; Gw = 475.99 kmol/h

Hay GF’=136×05.95 kg/h; Gw’= 8605.90 kg/h


3.2. Tìm chỉ số hồi lưu tối thiểu
Đồ thị cân bằng acetone (x)-nước (y) được tính bằng phần trăm mol của 2 cấu tử
trong hỗn hợp, trong đó:
y: nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi đi từ dưới lên trên x: nồng
độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng đi từ trên xuống Bảng 2: Nồng độ
của pha lỏng và hơi theo đổi theo nhiệt độ
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

100

77.9

69.6

64.5

62.6

61.6

60.7

59.8

59

58.2

57.5

56.9

y

x

1

0.95
0.9
0.85
0.8
0.75
0.7
0.65
0.6
0.55
0.5
0.45
0.4
0.35
0.3
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
0

Đồ thị cân bằng pha lỏng(x) và hơi(y)


0

0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95

x

1


Từ số liệu trong bảng trên ta vẽ được đồ thị đường cân bằng lỏng (x) và (y)
hơi, với giá trị xp = 0.984, vẽ đường tiếp xúc với đường cân bằng cắt trục tung tại y* = 0.5.
Với y* là nồng độ acetone trong pha hơi cân bằng với nồng độ trong pha lỏng, Rmin
được xác định theo công thức sau:
y∗ =

xP
0.984 = 0.5
Rmin + =
Rmin +
1
1

=> Rmin = 0.968.
3.3. Chỉ số hồi lưu thích hợp
Chỉ số hồi lưu thích hợp của tháp chưng luyện được xác định qua chỉ số hồi lưu tối
thiểu:
RX = β ∗ Rmin Với β là hệ số dư
Xác định chỉ số hồi lưu để thể tích tháp là nhỏ nhất. Ta cần thiết lập mối quan hệ
giữa chỉ số hồi lưu và thể tích của tháp Rx -V.
Thể tích tháp tỷ lệ với tích số N lt(Rx +1), với Nlt là số bậc thay đổi nồng độ (số đĩa
lý thuyết).
Cần phải xác định các trị số Nlt ứng với các RX khác nhau để thiết lập quan hệ phụ
thuộc Rx và Nlt(Rx + 1) trên đồ thị. Điểm cực tiểu của đường cong vẽ được sẽ cho ta giá trị
thể tích thiết bị bé nhất và ứng, ứng với điểm đó sẽ là chỉ số hồi lưu thích hợp Rx.
Với mỗi giá trị Rx, ta vẽ đường làm việc của 2 đoạn tháp, từ đó xác định số bậc
thay đổi nồng độ Nlt..

Mỗi giá trị Rx sẽ tìm được y* là trục tung của đồ thị cân bằng để suy ra phương
trình làm việc và xác định số đĩa lý thuyết.
xP
y∗ =
RX +
1


Từ các đồ thị trên, ta thu được bảng số liệu sau:
Bảng 3: Số đĩa lý thuyết tương ứng với số bậc thay đổi nồng độ
1.2

1.5

1.7

1.9

2.2

Rx

1.16

1.45

1.65

1.84

2.13

y*

0.45

0.39

0.36

0.34

0.31

Nlt

14

12

11

10

10

Nlt(Rx+1)

30.24

29.4

29.15

28.4

31.3

Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa Rx và Nlt(Rx+1)

Nlt(Rx+1

31.5

31

30.5

30

29.5

29

28.5

28
0

0.5

1

1.5

2

Rx

2.5

 Từ đồ thị trên ta xác định được Rth= 1.84 => Số bậc thay đổi nồng độ hay số
đĩa lý thuyết là 10.
Ta có: Chỉ số nhập liệu L =

GF

GP

=

563.16

87.17

= 6.46


Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng có dạng đường thẳng:
Rth + 1

L−1
x=
y+
xw = 0.342y + 0.00136
Rth + L
L+
Rth
 y = 2.924x -0.00398
Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất có dạng đường thẳng:
y=

Rth

+
Rth + 1



x

XP = 0.648x + 0.346
Rth +
1

y = 0.648 + 0.346
Vậy phương trình làm việc của tháp là:
- Phần cất: y = 0.648 + 0.346
- Phần chưng: y = 2.924x -0.00398

y

Đồ thị cân bằng pha lỏng (x) và hơi (y)
1
0.95
0.9
0.85
0.8
0.75
0.7
0.65
0.6
0.55
0.5
0.45
0.4
0.35
0.3
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
0

100

T 95

0

Đồ thị thị pha lỏng- hơi phụ thuộc theo nhiệt độ

90
85
80
75
70
65
60
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
0 0.2
5 10
35 0.5
40 0.55
45 0.6
50 0.65
55 60
65 70

0.05 0.1 0.15
0.25 150.3 20
0.35250.4300.45
0.7 0.75
0.8 75
0.85800.9850.9590 1 95 100

xyx

3.4. Cân bằng năng lượng
a. Cân bằng nhiệt lượng cho tháp chưng cất
- Phương trình cân bằng năng lượng tồn tháp chưng cất:
QF + QD2 + QR = Qy + QW + QXq2 + Qng2
- Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào tháp QF:
QF = GF × CF × tF
Ta có: GF = 13605.95 (kg/h)
tF = 67°C là nhiệt độ đầu vào của hỗn hợp
CF là nhiệt dung riêng đầu vào của hỗn hợp (J/kg.độ)


Tại 67°C, ta có: Cnước = 4190.31 (J/kg.độ)
Cacetone = 2327.75 (J/kg.độ) (Bảng I.147/166; I.153/172, [1])


CF = xF′. Caceton + (1 − xF′). Cnước

= 0.37 × 2327.75 + (1 − 0.37) × 4190.31 = 3508.16 (J/kg.độ)
QF = 13605.95 × 3508.16 × 67 = 3198033920 (J/h) =888342.76 W
- Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp QD2:
QD2 = D2λ2 = D2(r2 + t2c2)

- Hơi nước làm việc ở điều kiện áp suất 2.5 at:
t2 = 126.56℃; r2 = 2184.40 kJ/kg (Bảng 39/35, [3]; I.212/255, [1])
-

Nhiệt lượng do lưu lượng lỏng hồi lưu vào tháp QR
QR = GR × CR × tR

Với: CR = Cp là nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh (J/kg.độ)
Tại tp = 56.8°C, ta có: Cnước = 4185.8 J/kg.độ; CAcetone = 2242.6 J/kg.độ
(Bảng I.147/166; I.153/172, [1])
Suy ra: Cp = CR = xP × Cacetone + (1 − xP) × Cnước
= 0.995 × 2242.6 + (1 − 0.995) × 4185.8 = 2252.32
(J/kg.độ)
Ta có: GP = 5000 (kg/h)
- Lượng lỏng hồi lưu: GR = GPR = 5000 × 1.65 = 8250 (kg/h)
Tại tR = tP = 56.8°C => QR = 8250 × 2252.32 × 56.8 = 1055437152 (J/h)
- Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp Qy:


Qy = GP × (1 + RX) × λp,
J/h Trong đó: λp là nhiệt lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp,
J/kg
- Nhiệt lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp λP:


λP = λacetonyP1′ + λnướcyP2′) = λacetonyP1′ + λnước(1 − yP1′)
Với
y

′=

P1

yPM1
0.995×58

=

yPM1+(1−

= 0.9984 (phần khối lượng)
0.995×58+(1−0.995)×18

yP)M2

λacetone, λnước là nhiệt lượng riêng của acetone và nước ở đỉnh tháp (J/kg)
y′ , y′ : phần khối lượng của cấu tử acetone và nước ở đỉnh tháp
p1

p2

Ta có:
λacetone = racetone + tPcacetone
λnước = rnước + tPcnước
Ở nhiệt độ tP = 56.8°C, ta có:
cacetone = 2242.6(J/kg.độ); cnước = 4185.8 (J/kg.độ)
racetone = 521842.75 (J/kg); rnước = 2425831.92(J/kg)
(Bảng I.147/166; I.153/171; I.212/255, [1])
 λacetone = 521842.75 + 56.8 × 2242.6 =
649222.43(J/kg) λnước = 2425831.92 + 56.8 ×

4185.8 = 2663585.36 (J/kg)
λP = 649222.43 × 0.9984 + 2663585.36 × (1 − 0.9984) = 652445.41
(J/kg)
 Qy = 5000 × (1 + 1.84) × 652445.41 = 9264724822 (J/h).
-

Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra khỏi tháp Qw

QW = GW′ × CW × tW, J/h
′
GW
: lượng sản phẩm đáy (kg/h).

CW: nhiệt dung riêng của sản phẩm đáy (J/kg)
tW: nhiệt độ của sản phẩm đáy (℃)


Ta có: tw = 98.6°C; xW′ = 0.005 (phần khối
lượng) Ở nhiệt độ tw, ta có:


cnước = 4217.05 (J/kg.độ); cacetone = 2430.45 (J/kg.độ)
cw = xw′ × cacetone + (1 − xw) × cnước
= 0.005 × 2430.45 + (1 − 0.005) × 4217.05 = 4208.12 (J/kg.độ)
QW = 8605.95 × 4208.12 × 98.6 = 3570786213 (J/h)
-

Nhiệt lượng tổn thất ra mơi trường xung quanh Qxq2:

Ta có Qxq2 bằng 5% lượng nhiệt lượng tiêu tốn ở đáy tháp:

QXq2 = 0.05 × D2 × r2
-

Nhiệt lượng do hơi nước ngưng mang ra khỏi tháp Qng2
Qng2 = Gng2 × C2 × t2 = D2 × C2 × t2

Với: Gng2 là lượng nước ngưng tụ (kg/h)
C2, t2 là nhiệt dung riêng và nhiệt độ hơi nước ngưng
Vậy: lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi dung dịch ở đáy tháp:
QF + D2 × (r2 + t2 × c2) + QR = Qy + QW + 0.05 × D2 × r2 + D2 × C2
× t2
 D2 × (r2 + t2 × c2 − 0.05 × r2 − c2 × t2) = −QF − QR + QW + Qy
 D2 × 0.95r2 = QW + Qy − QF − QR
 D

=

QW+Qy−QF−QR

= 3836.88 (kg/h)

=

7962216824
2

0.95r2

0.95×2184.40×1000

b. Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu
Phương trình cân bằng nhiệt thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu:
QD1 + Qf = QF + Qng1 + QXq1, J/h
-

Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào QD1


QD1 = D1λ1 = D1(r1 + t1C1)
- Dùng hơi nước làm việc ở áp suất 2.5 at:


Trong đó
D1: lượng hơi đốt, kg/h
r1: ẩn nhiệt hóa hơi, 2184.40 kJ/kg
λ1 : hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng của hơi đối),

J

kg

t1: nhiệt độ nước ngưng, 126.56℃;
C1: nhiệt dung riêng của nước ngưng, J/kg.độ.
- Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào Qf:
Qf = GF × CF × t′F, J/h
- Suất lượng hỗn hợp đầu: GF = 13906.95 (kg/h)
Chọn nhiệt độ đầu vào của hỗn hợp: t’F = 25°C, ta
có:
cacetone = 2195 J/kg ; cnước = 4182.29J/kg; (Bảng I.147/165; I.153/172, [1])
′

cF = x
F × cacetone + (1 − xF) × cnước

= 0.154 × 2195 + (1 − 0.154) × 4182.29
 CF = 3876.25 J/kg


QF = 13605.95 × 3876.25 × 25 = 1318501592
(J/h)
- Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra Qng1:
Qng1 = Gng1 × c1 × t1 = D1 × c1 × t1
Với: Gng1 là lượng nước ngưng, bằng lượng hơi đốt D1
-

Nhiệt lượng thất thốt ra mơi trường xung quanh Qxq1

- Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh bằng 5% nhiệt tiêu tốn:
QXq1 = 0.05 × D1 × r1


Vậy: D1(r1 + c1t1) + Qf = QF + D1c1t1 + 0.05D1r1
 D1 × 0.95 × r1 = QF − Qf
Suy ra:
D
QF−Q�
3198033920 −1318501592
= 0.95×2184.40×1000
= 905.72(kg/h)
1 =
0.95r1

c. Cân bằng nhiệt lượng thiết bị ngưng tụ
- Phương trình cân bằng năng lượng:
Qnt = GP × rP × (R + 1) = Gnl × Cn × (t2 − t1)
Suy ra:

=

Gnl

GP×rP×(R
+1)
Cn×(t2−t1)

Trong đó: Gnl là lượng nước lạnh tiêu tốn để ngưng tụ (kg/h)
Cn là nhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ trung bình (J/kg.độ)
t1, t2 là nhiệt độ đầu vào, đầu ra của thiết bị ngưng tụ (°C)
r là ẩn nhiệt ngưng tụ (J/kg)
Ta chọn t1 = 25°C, t2 = 40°C:
 t

TB

=

t1+t2
2

=

25+40

= 32.5℃

2

Ở 32.5°C, Cn = Cnước = 4180.98 (J/kg.độ) (Bảng I.147/171, [1])
- Ở thiết bị ngưng tụ, tP = 56.8°C, ta có:
racetone = 521842.75 (J/kg); rnước = 2425831.92(J/kg) (Bảng I.212/254, [1])
rP = racetone. yP′ + (1 − yP). rnước
= 521842.75 × 0.995 + (1 − 0.995) × 2425831.92 = 531362.69 (J/kg)
Vậy: lượng nước lạnh cần tiêu tốn để ngưng tụ là:
Gnl =

5000 × 531362.69 × (1.84 + 1)
= 120312.31(kg/h)
4180.98 × (40 − 25)