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

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM
KHOA KỸ THUẬT HĨA HỌC
BỘ MƠN Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ
-------o0o-------

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ KỸ THUẬT HÓA HỌC
MSMH: CH4007

THIẾT KẾ THIẾT BỊ NGƯNG TỤ TRONG HỆ THỐNG THÁP
MÂM XUYÊN LỖ HOẠT ĐỘNG LIÊN TỤC ĐỂ CHƯNG CẤT
HỖN HỢP ETANOL – NƯỚC Ở ÁP SUẤT THƯỜNG

GVHD : Thầy VŨ BÁ MINH
SVTH : NGUYỄN PHÚC HOÀNG PHỤNG
MSSV : 1612678
Lớp

: HC16HLY

TP.HỒ CHÍ MINH, 12/2019


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập- Tự do- Hạnh phúc

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
Họ và Tên:

Nguyễn Phúc Hoàng Phụng

MSSV:

1612678

Lớp: HC16HLY
Nhận xét của giáo viên hướng dẫn:
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………
Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2019
Giáo viên hướng dẫn

Vũ Bá Minh


MỤC LỤC
CHƯƠNG I. GIỚI THIỆU ...........................................................................................1
CHƯƠNG II. TỔNG QUAN ........................................................................................2
2.1 Tổng quan nguyên liệu .............................................................................................. 2

2.1.1 Etanol ...............................................................................................................2
2.1.3 Hệ Etanol – Nước ............................................................................................3
2.2 Chưng cất ................................................................................................................... 4
2.2.1 Quá trình chưng cất..........................................................................................4
2.2.3 Thiết bị chưng cất ............................................................................................4
2.3.1 Quá trình ngưng tụ ...........................................................................................5
2.3.2 Thiết bị ngưng tụ.............................................................................................. 5
CHƯƠNG IV. CÂN BẰNG VẬT CHẤT ....................................................................8
4.1 Cân bằng vật chất ...................................................................................................... 8
4.2 Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp.............................................................................. 9
4.2.1 Xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu Rmin .............................................................. 9
4.2.2 Phương trình đường làm việc và số mâm lí thuyết ........................................10
4.2.3 Xác định số mâm lý thuyết ............................................................................10
CHƯƠNG V. CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG ............................................................. 14
5.1 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị đun nóng dịng nhập liệu: ................................. 14
5.2 Cân bằng nhiệt lượng cho toàn tháp chưng cất ....................................................... 15
5.3 Cân bằng nhiệt cho thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh .............................................. 17
5.4 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh .................................. 17
5.5 Cân bằng nhiệt lượng cho nồi đun đáy tháp ............................................................ 18
CHƯƠNG VI. TÍNH TỐN THIẾT BỊ CHÍNH .....................................................19
6.1 Tính tốn cấu tạo thiết bị ngưng tụ .......................................................................... 19
6.2 Tính tốn cơ khí thiết bị .......................................................................................... 22
6.2.1. Bề dày thân ...................................................................................................22
6.2.2. Bề dày nắp (đáy: ...........................................................................................23
6.2.3. Bích ghép thân và nắp (đáy) .........................................................................24
6.2.4. Đường kính các ống dẫn – bích ghép các ống dẫn .......................................26
6.2.5. Vỉ ống ...........................................................................................................27
6.2.6. Vách ngăn lưu chất phía vỏ ..........................................................................28
6.2.7. Thanh giằng ..................................................................................................28

6.2.8. Chân đỡ .........................................................................................................28
6.2.9. Trọng lượng của thiết bị ...............................................................................29
CHƯƠNG VII. TÍNH TỐN THIẾT BỊ PHỤ.........................................................31
7.1 Thiết bị đun nóng dòng nhập liệu ............................................................................ 31
7.2 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh ........................................................................... 34
7.3 Nồi đun đáy tháp ..................................................................................................... 37
7.4 Bơm ......................................................................................................................... 39
7.4.1 Năng suất .......................................................................................................39
7.4.2 Cột áp .............................................................................................................39
7.4.3. Công suất ......................................................................................................41
CHƯƠNG VIII. SƠ BỘ GIÁ THÀNH THIẾT BỊ ...................................................42
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................43


CHƯƠNG I. GIỚI THIỆU
*Nhiệm vụ đồ án môn học: Thiết kế thiết bị ngưng tụ trong hệ thống tháp mâm xuyên
lỗ hoạt động liên tục để chưng cất hỗn hợp Etanol – Nước ở áp suất thường.
*Các ký hiệu:
GF , F : suất lượng nhập liệu tính theo kg/h , kmol/h .
GD , D : suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo kg/h , kmol/h .
GW ,W : suất lượng sản phẩm đáy tính theo kg/h , kmol/h .
xi , x i : nồng độ phần mol, phần khối lượng của cấu tử i.
*Các thơng số ban đầu:
Hỗn hợp:
• Ethanol: C2H5OH, MR = 46 (g/mol)
• Nước: H2O, MN = 18 (g/mol)
- Năng suất nhập liệu: GF = 5000 kg/h
- Nhập liệu có nồng độ rượu: 300GL (% thể tích)
- Nồng độ sản phẩm đỉnh: 900GL

- Tỷ lệ thu hồi rượu: 99%
*Lựa chọn các thơng số để tính tốn:
- Nhiệt độ nhập liệu ban đầu: 300C
- Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội: 300C
- Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt: 300C
- Trạng thái nhập liệu là trạng thái lỏng sôi.

1


CHƯƠNG II. TỔNG QUAN
2.1 Tổng quan nguyên liệu
2.1.1 Etanol
Etanol hay còn được gọi là rượu etylic, ancol etylic là một ancol no, đơn chức,
mạch hở, có cơng thức phân tử là C2H5OH (thường viết tắt là EtOH). Là một chất lỏng,
không màu, trong suốt, mùi thơm dễ chịu và đặc trưng, vị cay, nhẹ hơn nước và tan vô
hạn trong nước. Có tính hút ẩm, dễ cháy, khi cháy khơng có khói và ngọn lửa có màu
xanh da trời.
Một số thông số vật lý:
Khối lượng phân tử: 46 đvC
Khối lượng riêng: 0,7936 g/ml (150C)
Nhiệt độ sơi: 78,390C
Nhiệt độ nóng chảy: -114,150C
Độ nhớt: 1,2 cP (200C)
Ứng dụng: làm nguyên liệu sản xuất các hợp chất khác như: dietyl ete, acid acetic,
etyl acetate,...; pha chế vecni, dược phẩm, nước hoa; dùng làm nguyên liệu đốt; điều chế
ra các loại nước uống...
Về mặt y dược, etanol là thuốc ngủ, mặc dù nó ít độc hại hơn so với các rượu khác.
Cái chết thường xảy ra nếu nồng độ cồn trong máu vượt quá khoảng 5%. Có thể giảm
thị lực, bất tỉnh sẽ xảy ra ở nồng độ thấp hơn.

Điều chế: Etanol được sử dụng như là nguyên liệu công nghiệp và thông thường
được sản xuất từ các nguyên liệu dầu mỏ, thông qua phương pháp hydrat hóa etylen
bằng xúc tác acid. Ngồi ra, etanol để sử dụng trong đồ uống chứa cồn được sản xuất
bằng cách lên men đường hay ngũ cốc với men rượu.
2.1.2 Nước
Nước có cơng thức phân tử là H2O, là chất lỏng không màu, không mùi, không vị.
Một số thông số vật lý:
Khối lượng phân tử: 18 g/mol
Khối lượng riêng: 997,08 kg/m3 (250C)
Nhiệt độ sơi: 1000C (760mmHg)
Nhiệt độ nóng chảy: 00C
Độ nhớt: 1,0.103 Ns/m2 (250C)
Nước là hợp chất chiếm phần lớn trên Trái Đất (hơn ¾ diện tích trái đất được bao
phủ bằng nước) và rất cần thiết cho sự sống.
Nước là hợp chất phân cực mạnh, vì vậy được dùng làm dung mơi hịa tan nhiều
chất rắn, lỏng, khí và là một dung mơi quan trọng trong ngành Hóa.

2


2.1.3 Hệ Etanol – Nước
Bảng cân bằng lỏng – hơi cho hỗn hợp etanol – nước ở 1 atm
ToC 100 90,5 86,5 83,2 81,7 80,8
80 79,4
79 78,6 78,15 78,4 78,4
x
0
5
10
20

30
40
50
60
70
80 89,4
90 100
y
0 33,2 44,2 53,1 57,6 61,4 65,4 69,9 75,3 81,8 89,4 89,8 100
Trong đó: x là thành phần pha lỏng (%mol)
y là thành phần pha hơi (%mol)

Hình 1: Đồ thị quan hệ giữa thành phần pha và nhiệt độ của hệ Etanol – Nước

3


Hình 2: Đồ thị quan hệ giữa thành phần x – y của hệ Etanol – Nước
2.2 Chưng cất
2.2.1 Quá trình chưng cất
Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của một hỗn hợp khí-lỏng thành các
cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp (nghĩa là
khi ở cùng một nhiệt độ, áp suất hơi bão hòa của các cấu tử khác nhau).
2.2.2 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.
2.2.3 Thiết bị chưng cất
Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để tiến hành chưng cất.

Tuy nhiên, yêu cầu cơ bản chung của các thiết bị vẫn giống nhau là diện 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.
4


- Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có cấu tạo khác
nhau, trên đó pha lỏng và pha hơi được cho tiếp xúc với nhau. Tuỳ theo cấu tạo của đĩa,
ta có:
+ Tháp mâm chóp: trên mâm bố trí có chóp dạng trịn, xupap, chữ S,…và ống chảy
chuyền có nhiều tiết diện khác nhau phụ thuộc vào suất lượng
pha lỏng.
+ Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh
- Tháp chêm (tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối tiếp nhau bằng mặt bích hay
hàn.Vật chêm được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp sau: xếp ngẫu nhiên
hay xếp thứ tự.
* So sánh ưu – nhược điểm của các loại tháp:
Ưu điểm
Tháp mâm chóp Hiệu suất cao
Hoạt động ổn định
Tháp mâm
xuyên lỗ
Tháp chêm

Hiệu suất tương đối cao
Hoạt động khá ổn định
Làm việc với chất lỏng bẩn
Đơn giản
Trở lực thấp

Nhược điểm
Cấu tạo phức tạp
Trở lực lớn
Không làm việc với chất lỏng bẩn
Trở lực khá cao
Yêu cầu lắp đặt khắt khe (lắp đĩa
thật phẳng)
Hiệu suất thấp
Độ ổn định kém
Thiết bị nặng

Do sản phẩm là ethanol với yêu cầu độ tinh khiết cao khi sử dụng cùng với hỗn
hợp ethanol – nước là hỗn hợp khơng có điểm đẳng khí nên đồ án lựa chọn phương pháp
chưng cất liên tục, cấp nhiệt gián tiếp, sử dụng tháp mâm xuyên lỗ.
2.3 Ngưng tụ
2.3.1 Quá trình ngưng tụ
Là quá trình một hơi (hay hỗn hợp hơi) chuyển pha thành dạng lỏng tại một điều
kiện nhất định. Quá trình này phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố, chủ yếu là tính tan lẫn các
chất lỏng sau khi ngưng.
Người ta nhận thấy rằng thường xảy ra hai dạng biến thiên nhiệt độ trong quá trình
ngưng tụ đẳng áp là: dạng ngưng tụ đẳng nhiệt, dạng ngưng tụ với nhiệt độ ngưng tụ
giảm dần.
2.3.2 Thiết bị ngưng tụ
Là một thiết bị trao đổi nhiệt, tùy theo các tính chất và điều kiện làm việc của hơi
ngưng cũng như phụ thuộc vào chất tải ẩn nhiệt ngưng tụ (dịng lạnh) mà thiết bị
ngưng tụ có cấu tạo rất đa dạng.
 Phân loại theo chất làm lạnh: thiết bị lạnh dùng NH3, các freon R-12, R-22...

5

 Phân loại theo điều kiện áp suất ngưng tụ: TBNT áp suất thấp (chân không), áp suất
thường, áp suất cao.
 Phân loại theo khả năng tiếp xúc của hai lưu chất: kiểu gián tiếp (hay kiểu bề mặt),
kiểu trực tiếp (TBNT hơi nước kiểu baromet).
Đối với các thiết bị trao đổi nhiệt nói chung phải thỏa mãn các yêu cầu sau:
- Đáp ứng yêu cầu côn nghệ, hiệu suất truyền nhiệt cao, thiết bị càng có khả năng tự
điều chỉnh càng tốt.
- Thiết bị làm việc ổn định, an toàn, kết cấu gọn nhẹ, dễ vận hành, lắp đặt, sửa chữa,
lau chùi, vệ sinh thuận tiện.
Một số loại thiết bị ngưng tụ thường gặp như: thiết bị ngưng tụ kiểu xối tưới, kiểu
vỏ – ống nằm ngang, kiểu vỏ – ống thẳng đứng... và một số loại thiết bị truyền nhiệt
khác.
Sơ lược về thiết bị truyền nhiệt ống chùm:
- Có diện tích trao đổi nhiệt lớn, có thể đến hàng nghìn mét vng, hệ số trao đổi nhiệt
cao, thích hợp dùng làm thiết bị truyền nhiệt lỏng – lỏng, lỏng – khí và khí – khí, thiết
bị ngưng tụ. Vì vậy, loại thiết bị này được ứng dụng rất rộng rãi trong cơng nghiệp
hóa chất và thực phẩm.
- Ưu điểm: 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; dễ chế tạo, lắp đặt, vệ sinh, bảo dưỡng và vận hành; có thể sử dụng một
phần của bình để làm bình chứa; ít hư hỏng và tuổi thọ cao...
- Nhược điểm: khó chế tạo bằng vật liệu không nong và hàn như gang hoặc thép silic;
quá trình bám bẩn trên bề mặt đường ống tương đối nhanh, đặc biệt là khi chất lượng
nguồn nước kém...

6


CHƯƠNG III. QUY TRÌNH CHƯNG CẤT

(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)

*Chú thích:
Bồn chứa ngun liệu
Bơm
Thiết bị gia nhiệt nhập liệu
Tháp chưng cất
Lưu lượng kế
Thiết bị ngưng tụ

(7)
(8)
(9)
(10)
(11)
(12)

Thiết bị phân phối lỏng
Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh
Bồn chứa sản phẩm đỉnh
Thiết bị đun sôi đáy tháp
Bẫy hơi
Bồn chứa sản phẩm đáy

*Thuyết minh quy trình:

Hỗn hợp đầu từ bồn chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm qua lưu lượng kế (5)
đến thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu (3). Thiết bị gia nhiệt (3) là thiết bị trao đổi nhiệt
ống chùm với tác nhân nóng là hơi nước bão hòa. Sau khi được gia nhiệt, hỗn hợp đầu
ở nhiệt độ sôi đi vào tháp (4) ở mâm nhập liệu.
Trên mâm nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn cất của tháp chảy
xuống. Trong tháp, hơi đi từ dưới lên, gặp chất lỏng đi từ trên xuống. Ở đây có sự tiếp
xúc và trao đổi giữa hai pha với nhau. Pha lỏng chuyển động trong phần chưng càng
xuống dưới các cấu tử dễ bay hơi càng giảm nồng độ vì đã bị pha hơi tạo nên từ nồi đun
(10) lôi cuốn cấu tử dễ bay hơi. Nhiệt độ càng lên trên càng thấp, nên khi hơi đi qua các
mâm từ dưới lên thì cấu tử có nhiệt độ sơi cao là nước sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên
đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp mà cấu tử etanol chiếm hàm lượng lớn nhất. Một phần
chất lỏng ngưng tụ sau khi qua thiết bị ngưng tụ (6) sẽ đi qua tiếp thiết bị làm nguội sản
phẩm đỉnh (8), rồi được đưa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh (9). Phần còn lại của chất lỏng
ngưng tụ được hoàn lưu về đỉnh tháp. Thiết bị ngưng tụ (6) và thiết bị làm nguội (8)
cũng là thiết bị trao đổi nhiệt với tác nhân làm nguội là nước lạnh.
Cuối cùng, ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp hầu hết là các cấu tử khó bay hơi (nước).
Sản phẩm đáy khi ra khỏi tháp vô nồi đun (10). Trong nồi đun dung dịch lỏng một phần
sẽ bốc hơi cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc. Phần cịn lại được dẫn vơ bồn chứa
sản phẩm đáy (12), được làm nguội tự nhiên. Do còn chứa một ít etanol nên sản phẩm
đáy sẽ được xử lý trước khi thải ra môi trường.

7


CHƯƠNG IV. CÂN BẰNG VẬT CHẤT
4.1 Cân bằng vật chất:
Cân bằng vật chất cho toàn tháp: F = D + W (2.1)
Cân bằng cho cấu tử dễ bay hơi: F × xF = D × xD + W × xW (2.2)
Tỷ lệ thu hồi: F × xF ×  = D ì xD (2.3)
ã Dũng nhp liu:

Tra bng I.2, trang 9, [1]:
Khối lượng riêng của Ethanol ở 300C: ρC2H5OH = 0,781 (kg/l)
Khối lượng riêng của nước ở 300C: ρH2O = 0,995 (kg/l)
Phân mol nhập liệu:
orượu × ρC H OH
2 5
46
orượu × ρC H OH (100−orượu ) × ρH O
2 5
2
+
46
18

xF =

=

30 × 0,781
46
30 × 0,781 (100−30) × 0,995
+
46
18

= 0,116 (kmol C2H5OH/ kmol hỗn hợp)
Phân khối lượng nhập liệu:
xF =
̅̅̅

xF × MC2 H5OH
xF × MC2H5 OH + (1−xF ) × MH2O

=

0,116 × 46
0,116 × 46 + (1−0,116) × 18

= 0,251

Khối lượng mol của hổn hợp nhập liệu:
MF = xF × MC2H5OH + (1 − xF ) × MH2O = 0,116 × 46 + (1 − 0,116) × 18 = 21,25
(kg/kmol)
Suất lượng nhập liệu:
F=

GF
MF

=

5000
21,25

= 235,3 (kmol/h)

• Sản phẩm đỉnh:
Phân mol sản phẩm đỉnh:
orượu × ρC H OH
2 5

46
orượu × ρC H OH (100−orượu ) × ρH O
2 5
2
+
46
18

xD =

=

90 × 0,781
46
90 × 0,781 (100−90) × 0,995
+
46
18

= 0,734 (kmol C2H5OH/ kmol hỗn hợp)
Phân khối lượng sản phẩm đỉnh:
x̅̅̅
D =

xD × MC2 H5 OH
xD × MC2 H5 OH + (1−xD ) × MH2 O

=

0,734 × 46

0,734 × 46 + (1−0,734) × 18

= 0,876

Khối lượng mol của hổn hợp sản phẩm đỉnh:
MD = xD × MC2H5 OH + (1 − xD ) × MH2O = 0,734.46 + (1 − 0,734) × 18 = 38,55
(kg/kmol)
Từ phương trình (2.3), suất lượng nhập liệu:
D=

F × xF × 
xD

=

235,3 × 0,116 × 0,99
0,734

= 36,81 (kmol/h)

• Sản phẩm đáy:
Từ phương trình (2.1), suất lượng sản phẩm đáy:
8


W = F – D = 235,3 – 36,81 = 198,49 (kmol/h)
Từ phương trình (2.2), phân mol sản phẩm đáy:
F × xF − D × xD

xW =

W

=

235,3 × 0,116 − 36,81 × 0,734
198,49

= 0,0014 (kmol C2H5OH/ kmol hỗn hợp)
Phân khối lượng sản phẩm đáy:
x̅̅̅̅
W =

xW × MC2 H5 OH
xW × MC2 H5 OH + (1−xW ) × MH2 O

=

0,0014 × 46
0,0014 × 46+(1−0,0014) × 18

= 0,0036

Khối lượng mol của sản phẩm đáy:
MW = xW × MC2 H5OH + (1 − xW ) × MH2O = 0,0014 × 46 + (1 − 0,0014) × 18 =
18,04 (kg/kmol)
Dịng

F
D

W

Khối lượng
mol
(kg/kmol)
21,25
38,55
18,04

Suất lượng
mol
(kmol/h)
235,3
36,81
198,49

Suất lượng
khối lượng
(kg/h)
5000
1419,03
3580,76

Phân mol
(kmol/kmol)
0,116
0,734
0,0014

Phân khối

lượng
(kg/kg)
0,251
0,876
0,0036

4.2 Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp
4.2.1 Xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu Rmin
Tỉ số hoàn lưu tối thiểu là chỉ số mà chế độ làm việc tại đó ứng với số mâm lý
thuyết là vơ cực. Do đó, chi phí cố định là vơ cực nhưng chi phí điều hành (nguyên liệu,
nước, bơm…) là tối thiểu.
Với y0 = 0,465 ta có: y0 =

xD
Rmin +1

= 0,465  R min = 0,578

Xác định chỉ số hoàn lưu làm việc theo công thức thực nghiệm IX.24 trang 159
[2], ta được :
R = 1,3R min + 0,3 = 1,3.0,578 + 0,3 = 1,0514

9


Hình 3: Đồ thị xác định Rmin của hệ Etanol- Nước
4.2.2 Phương trình đường làm việc và số mâm lí thuyết:
*Phương trình đường làm việc của đoạn cất:
y=

R
R+1

x+

xD
R+1

=

1,0514
1,0514 + 1

x+

0,734
1,0514 + 1

= 0,513𝑥 + 0,358

*Phương trình đường làm việc của đoạn chưng
y=

R+f
R+1

x+

1−f
R+1

xW =

với chỉ số nhập liệu: f =

1,0514 + 6,392
1,0514 + 1
F
235,3
D

=

36,81

x+

1 − 6,392

.0,0014 = 3,628𝑥 – 0,00368

1,0514 + 1

= 6,392

4.2.3 Xác định số mâm lý thuyết
Dựa vào đồ thị ta xác định được số mâm lý thuyết:

10

Hình 3: Đồ thị xác định số mâm lý thuyết của hệ Etanol- Nước
Ta có 11 mâm lí thuyết bao gồm: 1 mâm nhập liệu, 4 mâm chưng, 6 mâm cất.
Nhập liệu tại mâm thứ 5.
4.2.4 Xác định số mâm thực tế
*Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình:

Ntt =

Nlt
tb

(Cơng thức IX.59, trang 170, [2])

Trong đó: 𝑡𝑏 - hiệu suất trung bình của đĩa, là một hàm số của độ bay hơi tương đối
và độ nhớt của hỗn hợp lỏng 𝑡𝑏 = f (𝛼, 𝜇)
Ntt - số mâm thực tế
Nlt - số mâm lý thuyết
*Hiệu suất trung bình của tháp chưng cất:

tb =

1 +2 +3 +⋯+n
n

(Công thức IX.60, trang 171, [2])
11


Trong đó: 1 , 2 , … - hiệu suất của các mâm

n - số vị trí tính hiệu suất
*Độ bay hơi tương đối của hỗn hợp:

α=

y∗
1−y∗

×

1−x
x

(Cơng thức IX.61, trang 171, [2])

Trong đó: x – phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng
y ∗ - phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi cân bằng với pha lỏng
α – độ bay hơi tương đối của hỗn hợp
μ – độ nhớt của hỗn hợp lỏng (N.s/m2)
• Hiệu suất mâm nhập liệu, 𝐅
Từ đồ thị t - x,y (hình 1): xF = 0,116  t F = 85,8oC
Từ đồ thị x - y (hình 2): xF = 0,116  yF∗ = 0,46
Độ bay hơi tương đối của hỗn hợp nhập liệu:
αF =

y∗F
1 − y∗F

×

1 − xF
xF

=

0,46
1 − 0,46

×

1 − 0,116
0,116

= 6,492

Tra bảng I.101, trang 91, [1] tại nhiệt độ t F = 85,8oC
- Độ nhớt động lực của H2O: μH2O = 0,3323 cP
- Độ nhớt động lực của C2H5OH: μC2H5 OH = 0,403 cP
Độ nhớt của hỗn hợp nhập liệu: công thức I.12, trang 84, [1]:
𝑙ogμF = xF logμC2 H5OH + (1 − xF )logμH2O  μF = 0,340 cP
Suy ra: αF × μF = 6,492 × 0,340 = 2,207
Tra đồ thị hình IX.11, trang 171, [2]  F = 41%
• Hiệu suất mâm sản phẩm đỉnh, 𝐃
Từ đồ thị t - x,y (hình 1): xD = 0,734  t D = 78,8oC
Từ đồ thị x - y (hình 2): xD = 0,734  yD∗ = 0,773
Độ bay hơi tương đối của hỗn hợp sản phẩm đỉnh:
αD =

∗
yD

1 − y∗D

×

1 − xD
xD

=

0,773
1 − 0,773

×

1 − 0,734
0,734

= 1,234

Tra bảng I.101, trang 91, [1] tại nhiệt độ t D = 78,8oC
- Độ nhớt động lực của H2O: μH2O = 0,3619 cP
- Độ nhớt động lực của C2H5OH: μC2H5 OH = 0,444 cP
Độ nhớt của hỗn hợp sản phẩm đỉnh: công thức I.12, trang 84, [1]:
logμD = xD logμC2 H5OH + (1 − xD )logμH2O  μD = 0,420 cP
Suy ra: αD × μD = 1,234 × 0,420 = 0,518
Tra đồ thị hình IX.11, trang 171, [2]  D = 58%
• Hiệu suất mâm sản phẩm đáy, 𝐰
Từ đồ thị t - x,y (hình 1): xW = 0,0014  t W = 99,8oC
∗

Từ đồ thị x - y (hình 2): xW = 0,0014  yW
= 0,008
12


Độ bay hơi tương đối của hỗn hợp sản phẩm đáy:
αW =

y∗W
1 − y∗W

×

1 − xW
xW

=

0,008
1 − 0,008

×

1 − 0,0014
0,0014

= 5,752

Tra bảng I.101, trang 91, [1] tại nhiệt độ t W = 99,8oC
- Độ nhớt động lực của H2O: μH2O = 0,2844 cP

- Độ nhớt động lực của C2H5OH: μC2H5 OH = 0,327 cP
Độ nhớt của hỗn hợp sản phẩm đáy: công thức I.12, trang 84, [1]:
logμW = xW logμC2 H5OH + (1 − xW )logμH2O  μw = 0,284 cP
Suy ra: αw × μw = 5,752 × 0,284 = 1,634
Tra đồ thị hình IX.11, trang 171, [2]  w = 43%
Vậy, suy ra hiệu suất trung bình của tháp chưng cất, tb là:
tb =

F + D + W
3

=

41% + 58% + 43%
3

= 47,33%.

Số mâm thực tế tháp chưng cất:
Ntt =

Nlt
tb

=

11
48,33%

= 22,76%.

Vậy, chọn số mâm thực tế Ntt = 23 mâm, trong đó:
Dịng
Phần mol Ethanol pha lỏng
Phần mol Ethanol pha hơi
Nhiệt độ (oC)
Độ nhớt động lực của H2O (cP)
Độ nhớt động lực của C2H5OH (cP)
Độ nhớt của hỗn hợp
Độ bay hơi tương đối
Hiệu suất mâm (%)
Hiệu suất trung bình của tháp

F
0,116
0,46
85,8
0,3323
0,403
0,340
6,492
41

13

D
0,734
0,773
78,8
0,3619

0,444
0,420
1,234
58
47,33%

W
0,0014
0,001
100
0,2838
0,326
0,284
5,752
43


CHƯƠNG V. CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
5.1 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị đun nóng dịng nhập liệu:
Q D1 + Q f = Q F + Q ng1 + Q xq1 (J/h) (Công thức IX.149, trang 196, [2])
* Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào thiết bị đun nóng 𝐐𝐃𝟏 :
Q D1 = D1 × 1 = D1 (r1 + t1 × C1 ) (J/h) (Cơng thức IX.150, trang 196, [2])
Trong đó: D1 – lượng hơi đốt (kg/h)
r1 - ẩn nhiệt hóa hơi (J/kg)
1 – hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng của hơi đốt) (J/kg)
t1 – nhiệt độ nước ngưng (0C)
C1 – nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg.độ)
Chọn hơi đốt là hơi nước bão hòa ở áp suất tuyệt đối 2 at.
Tra bảng I.197, trang 230, [1], nhiệt độ của hơi nước là t1 = 119,620 C
Tra bảng 49, trang 45, [3], nhiệt hóa hơi của nước ở 119,620 C là r1 = 2204,98 kJ/kg

* Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào thiết bị đun nóng 𝐐𝐟 :
Q f = GF × Cf × t f (J/h) (Cơng thức IX.151, trang 196, [2])
Trong đó: GF – lượng hỗn hợp đầu (kg/h)
Cf - nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu (J/kg.độ)
t f – nhiệt độ đầu của hỗn hợp (0C)
Chọn nhiệt độ đầu của hỗn hợp là t f = 300C
CC H OH = 2595(J/kg. độ)
Tra bảng I.154, trang 172, [1]: { 2 5
CH2O = 4177,5 (J/kg. độ)
Nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu:
Cf = ̅̅̅
xF × CC2H5 OH + (1 − ̅̅̅
x F ) × C H2 O
= 0,251 × 2595 + (1 - 0,251) × 4177,5 = 3780,29 (J/kg.độ)
Suy ra: Q f = 5000 × 3780,29 × 30 = 567,04.106 (J/h)
* Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra khỏi thiết bị đun nóng 𝐐𝐅 :
Q F = GF × CF × t F (J/h) (Cơng thức IX.152, trang 196, [2])
Trong đó: CF - nhiệt dung riêng của hỗn hợp khi đi ra (J/kg.độ)
t F – nhiệt độ của hỗn hợp khi ra khỏi thiết bị đun nóng (0C)
Với thành phần hỗn hợp đầu: xF = 0,116  tF = 85,80C
CC H OH = 3307 J/kg. độ
Tra bảng I.153, trang 172, [1]: { 2 5
CH2O = 4202 J/kg. độ
Nhiệt dung riêng của hỗn hợp khi ra khỏi thiết bị đun nóng tại 85,80C:
CF = ̅̅̅
xF × CC2H5OH + (1 − ̅̅̅
x F ) × C H2 O
= 0,251 × 3307 + (1 - 0,251) × 4202 = 3977,36 (J/kg.độ)
Suy ra: Q F = 5000 × 3977,36 × 85,5 = 1700,32 × 106 (J/h)

14


* Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra 𝐐𝐧𝐠𝟏 :
Q ng1 = Gng1 × C1 × t1 = D1 × C1 × t1 (J/h) (Cơng thức I.153, trang 197, [2])
Trong đó: Q ng1 – lượng hơi nước ngưng, bằng lượng hơi đốt (kg/h)
*Nhiệt lượng mất ra môi trường xung quanh Q xq1 lấy bằng 5% nhiệt tiêu tốn:
Q xq1 = 0,05 × D1 × r1 (J/h) (Cơng thức I.154, trang 197, [2])
Vậy, lượng hơi nóng cần thiết để đun nóng hỗn hợp đến nhiệt độ sôi:
Q D1 + Q f = Q F + Q ng1 + Q xq1
Suy ra:
D1 =

QF + Qng1 + Qxq1 − Qf
1

=

QF − Qf
0,95 × r1

=

1700,32 × 106 − 567,04 × 106
0,95 × 2204,98 × 1000

= 541,01 (kg/h)

5.2 Cân bằng nhiệt lượng cho toàn tháp chưng cất
*Tổng nhiệt lượng mang vào tháp bằng tổng nhiệt lượng mang ra:

Q D2 + Q F + Q R = Q Y + Q W + Q ng2 + Q xq2 (Công thức I.156, trang 197, [2])
* Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào thiết bị đun nóng 𝐐𝐃𝟐 :
Q D2 = D2 × 2 = D2 (r2 + t 2 × C2 ) (J/h) (Cơng thức IX.157, trang 197, [2])
Trong đó: D2 – lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi dung dịch trong đáy tháp (kg/h)
r2 - ẩn nhiệt hóa hơi (J/kg)
2 – hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng của hơi đốt) (J/kg)
t 2 – nhiệt độ nước ngưng (0C)
C2 – nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg.độ)
Chọn hơi đốt là hơi nước bão hòa ở áp suất tuyệt đối 2 at.
Tra bảng I.97, trang 230, [1] ta được nhiệt độ của hơi nước là t1 = 119,60 C
Tra bảng 49, trang 45, [3] nhiệt hóa hơi của nước ở 119,620 C là r2 = 2204,98 kJ/kg
*Nhiệt lượng do lỏng hồi lưu mang vào tháp Q R :
Q R = GR × CR × t R (J/h) (Cơng thức IX.158, trang 197, [2])
Trong đó: GR – lượng lỏng hồi lưu (kg/h)
GR = GD × R = 1419,03 × 1,0514 = 1491,97 (kg/h)
Với thành phần sản phẩm đỉnh: xD = 0,734  t D = 78,80C
CC H OH = 3205 J/kg. độ
Tra bảng I.153, trang 172, [1]: { 2 5
CH2O = 4190 J/kg. độ
Nhiệt độ dòng hồi lưu: t R = t D = 78,80C
Nhiệt dung riêng của dòng hồi lưu:
CR = CD = x̅̅̅
̅̅̅
D × CC2 H5 OH + (1 − x
D ) × CH2 O
= 0,876 × 3205 + (1 - 0,876) × 4190 = 3327,14 (J/kg.độ)
Suy ra: Q R = 1491, 97 × 3327,14 × 78,8 = 391,16 × 106 (J/h)

15

*Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp 𝐐𝐘 :
Q Y = GD × (1 + R) × D (J/h) (Cơng thức IX.159, trang 197, [2])
Trong đó: D là nhiệt lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp
D = ̅̅̅
yD × C2H5OH + (1 − ̅̅̅
yD ) × H2O
Với thành phần sản phẩm đỉnh: xD = 0,734  yD = 0,773
 ̅̅̅
yD =

yD × MC2H5 OH
yD × MC2H5 OH + (1 − yD ) × MH2 O

=

0,773 × 46
0,773 × 46 + (1 − 0,773) × 18

Tại t D = 78,80C tra bảng I.212, trang 254, [1]: {

= 0,897

rC2H5 OH = 848,41 kJ/kg
rH2O = 2311,72 kJ/kg

Ta có:
C2 H5OH = rC2 H5OH + t D × CC2 H5OH = 848,41 × 103 + 78,8 × 3205 = 1100964 (J/kg)
H2 O = rH2O + t D × CH2 O = 2311,72 × 103 + 78,8 × 4190 = 2641892 (J/kg)
 D = 0,897 × 1100964 + (1 – 0,897) × 2641892 = 1259679,584 (J/kg)

Suy ra: Q Y = 1419,03 × (1 + 1,0514) × 1259679,584 = 3666,92 × 106 (J/kg)
*Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra khỏi tháp 𝐐𝐖 :
Q W = GW × CW × t W (J/h) (Cơng thức IX.160, trang 197, [2])
Trong đó: GW – lượng sản phẩm đáy (kg/h)
CW – nhiệt dung riêng của sản phẩm đáy (J/kg.độ)
t W – nhiệt độ của sản phẩm đáy (0C)
Với thành phần sản phẩm đáy: xW = 0,0014  t W = 99,80C
CC H OH = 3517 J/kg. độ
Tra bảng I.153, trang 172, [1]: { 2 5
CH2O = 4229,6 J/kg. độ
Nhiệt dung riêng của hỗn hợp sản phẩm đáy tại 1000C:
CW = x̅̅̅̅
̅̅̅̅
W × CC2 H5 OH + (1 − x
W ) × C H2 O
= 0,0036 × 3517 + (1 - 0,0036) × 4229,6 = 4227,03 (J/kg.độ)
Suy ra: Q W = 3580,76 × 4227,03 × 99,8 = 1513,60 × 106 (J/h)
*Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra 𝐐𝐧𝐠𝟐 :
Q ng2 = Gng2 × C2 × t 2 = D2 × C2 × t 2 (J/h) (Công thức IX.161, trang 198, [2])
Trong đó: Gng2 – lượng nước ngưng (kg/h)
t 2 – nhiệt độ nước ngưng (0C)
C2 – nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg.độ)
*Nhiệt lượng mất ra môi trường xung quanh Q xq2 lấy bằng 5% nhiệt tiêu tốn ở đáy
tháp: Q xq2 = 0,05 × D2 × r2 (J/h) (Cơng thức I.162, trang 198, [2])
Vậy, lượng hơi nóng cần thiết để cấp nhiệt cho tháp là:
D2 =

=

QY + QW + Qng2 + Qxq2 − QF − QR

=

QY + QW − QF − QR

2
0,95r2
6
6
6
3666,92 × 10 +1513,60 × 10 −1700,32 × 10 −391,16 × 106
0,95 × 2204,98 × 1000

16

= 1474,67 (kg/h)


5.3 Cân bằng nhiệt cho thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh
Giả sử trong hệ thống ngưng tụ hoàn toàn:
GD × (R + 1) × rD = GN1 × CN1 × (t 2 − t1 ) (Công thức IX.165, trang 198, [2])
 GN1 =

GD × (R + 1)× rD
CN1 × (t2 − t1 )

Trong đó: rD - ẩn nhiệt ngưng tụ của sản phẩm đỉnh (J/kg)
CN1 – nhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ trung bình
t1 , t 2 – nhiệt độ vào, ra của nước làm lạnh (0C)
Chọn nhiệt độ vào, ra của nước làm lạnh lần lượt là: t1 = 300C, t 2 = 500C

 t̅ =

t1 +t2
2

= 400C

Tra bảng 1.153, trang 172 [1] tại t = 400C ta được CN1 = CN = 4175 (J/kg.độ)
*Ẩn nhiệt ngưng tụ tại nhiệt độ 78,80C:
rD = ̅̅̅
yD × rC2 H5OH + (1 − ̅̅̅
yD ) × rH2O
= 0,897 × 848,41 + (1 – 0,897) × 2311,72 = 999,13 (kJ/kg)
*Nhiệt do dòng sản phẩm đỉnh mang vào thiết bị ngưng tụ:
Q nt = GD × (R + 1) × rD
= 1419,03 × (1,0514 + 1) × 999,13 × 103 = 2908,5 × 106 (J/h)
Vậy, lượng nước lạnh tiêu tốn là:
GN1 =

1419,03 × (1,0514 + 1) × 999,13 × 103
4175 × (50 − 30)

= 34831,92 (kg/h)

5.4 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh
Vì đã ngưng tụ hoàn toàn nên:
GD . CD . (t D − t D1 ) = GN3 . CN . (t 4 − t 3 ) (Công thức IX.166, trang 198, [2])
 GN2 =

GD .CD .(tD − tD1 )

CN .(t2 − t1 )

Chọn:
Nhiệt độ vào, ra của nước làm nguội lần lượt là: t 3 = 250C, t 4 = 400C
 t̅ =

t3 +t4
2

= 32,5oC

Nhiệt độ vào của sản phẩm đỉnh: t D = 78,80C
Nhiệt độ đầu ra của sản phẩm đỉnh: t D1 = 300C
 Nhiệt độ trung bình của sản phẩm đỉnh: ̅̅̅̅̅
t Dtb =
Tại t̅′ = 54,40C, tra bảng I.153, trang 172, [1]: {

tD +tD1
2

=

78,8 + 30
2

= 54,40C

CC2H5OH = 2897,2 J/kg. độ
CH2O = 4185,8 J/kg. độ

Tại t̅ = 32,5oC, tra bảng I.153, trang 172, [1]: CN = 4176,9 J/kg. độ
Nhiệt dung riêng của hỗn hợp sản phẩm đỉnh:
CD = x̅̅̅
̅̅̅
D × CC2 H5 OH + (1 − x
D ) × C H2 O
= 0,876 × 2897,2 + (1 – 0,876) × 4185,8 = 3056,99 (J/kg.độ)

17


*Nhiệt do dòng sản phẩm đỉnh mang ra khỏi thiết bị ngưng tụ:
Q D = GD × CD × (t D − t D1 )
= 1419,03 × 3056,99 × (78,8 − 30) = 211,7×106 (J/h)
Vậy, lượng nước lạnh cần dùng là:
GN2 =

1419,03 × 3056,99 × (78,8 − 30)
4176,9 × (40 − 25)

= 3378,9 (kg/h)

5.5 Cân bằng nhiệt lượng cho nồi đun đáy tháp
*Nhiệt lượng cần để cấp cho nồi đun sản phẩm đáy:
Q D3 = Q nt + Q w + Q D − Q F + Q f
= 1,05×(2908,5 ×106 + 1513,6 ×106 + 211,7 ×106 - 1700,32 ×106 + 567,04 ×106
= 3675,546×106 (J/h)

18

CHƯƠNG VI. TÍNH TỐN THIẾT BỊ CHÍNH
6.1 Tính tốn cấu tạo thiết bị ngưng tụ
Chọn thiết bị ngưng tụ kiểu ống chùm, đặt nằm ngang (vỏ - ống loại TH)
Ống truyền nhiệt được làm bằng thép INOX 304 (X18H10T) với các thơng số:
- Đường kính ngồi của ống: dng = 25mm = 0,025m
- Đường kính trong của ống: dtr = 21mm = 0,021m
- Bề dày thành ống: = 2mm = 0,002m
- Chiều dài: l = 2m
- Hệ số dẫn nhiệt của thành ống thép không gỉ:  = 16,3 W/m.0C (Bảng XII.7, trang
313, [2])
Dùng nước để làm lạnh, đi bên trong ống với:
- Nhiệt độ đầu vào là t1 = 300C và nhiệt độ đầu ra t 2 = 500C
- Lượng nước cần dùng: GN1 = 33709,7 kg/h
Hơi ngưng tụ hồn tồn thành lỏng sơi bên ngồi ống với nhiệt độ t D1 = 78,80C
Nhiệt lượng tỏa ra khi dòng hơi ngưng tụ: Q nt = 2908,5.106 J/h
Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên chênh lệch nhiệt độ trung bình:

∆Tlog =

(tD1 −t1 )−(tD1 −t2 )
t −t
ln( D1 1)
tD1 −t2

=

(78,8−30)−(78,8−50)
78,8−30

ln(78,8−50)

= 37,930C

Nhiệt độ trung bình của nước: t N = t D1 − ∆Tlog = 78,8 – 37,93 = 40,870C
Bảng 6.1. Thông số nhiệt vật lí của nước tại nhiệt độ trung bình 40,870C
Thơng số
Giá trị
3
991,843
Khối lượng riêng ρN (kg/m )
644,26.10-6
Độ nhớt μN (Ns/m2)
0,636
Hệ số dẫn nhiệt N (W/m.0C)
4174
Nhiệt dung riêng CPN (J/kg.0C)
Chuẩn số Pr

PrN

4,243

Chọn vận tốc dòng nước vN = 0,7 m/s
Xác định chuẩn số Re: Re =

vN .dtr .ρN
μN

=

0,7. 0,021.991,843
644,26.10−6

= 22631 > 10000

Vậy thuộc chế độ chảy rối.
*Hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng ở mặt ngoài ống chùm nằm ngang, 𝛂𝟏 :
Thực hiện các phép tính lặp và thử sai số
Chọn nhiệt độ bề mặt thành ngoài ống là t V1 = 66,430C
Hiệu số giữa nhiệt độ ngưng và nhiệt độ bề mặt thành ngoài ống:
∆t = t D1 − t V1 = 78,8 – 66,43 = 12,370C
Nhiệt độ màng lỏng ngưng: t m =

tD1 +tV1
2

= 72,6150C

Tại t D1 = 78,80C, ẩn nhiệt ngưng tụ của dòng hơi là: rD = 999130 J/kg
Tại t m = 72,6150C, ta có:
19


+ Khối lượng riêng của lỏng ngưng 𝜌D1 :
Tra bảng I.2, trang 9, [1]:
Khối lượng riêng của C2H5OH: ρC2H5 OH = 742,02 kg/m3
Khối lượng riêng của H2O: ρH2O = 976,06 kg/m3
1
ρ D1

=

x̅D

+

1 − x̅D

ρC2 H5 OH
ρH2 O
ρC2H5 OH × ρH2 O

 ρD1 =

742,02 × 976,06

=

x̅D × ρH2 O + (1−x̅D )×ρC2 H5OH

0,876×976,06+(1−0,876)×742,02

= 764,75 kg/m3

+ Nhiệt dung riêng của lỏng ngưng CPD1 :
Tra bảng I.153 – I.154, trang 172, [1]:
Nhiệt dung riêng của C2H5OH: CC2H5OH = 3128 J/kg.độ
Nhiệt dung riêng của H2O: CH2O = 4190 J/kg.độ
CPD1 = x̅D CC2H5 OH + (1 − x̅D )CH2O

= 0,876 × 3128 + (1 – 0,876) × 4190 = 3259,4 J/kg.độ
+ Độ nhớt của lỏng ngưng μD1 :
Tra bảng I.101, trang 91, [1]:
Độ nhớt động lực của C2H5OH: μC2H5OH = 4,926.10-4 N.s/m2
Độ nhớt động lực của H2O: μH2O = 3,931.10-4 N.s/m2
logμD1 = xD logμC2 H5OH + (1 − xD )logμH2O  μD1 = 4,639.10-4 N.s/m2
+ Hệ số dẫn nhiệt của lỏng ngưng D1 :
3 ρ

D1 = 3,58.10−8 × CPD1 × ρD1 × √ D1 (Cơng thức I.32, trang 123, [1])
M
D

3 764,75

= 3,58.10−8 × 3259,4 × 764,75 × √
= 0,242 (W/m.độ)
38,55
Suy ra, hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng ở mặt ngoài một ống chùm nằm ngang:
4

α = 1,28 × √

rD ×ρ2D1 ×3D1
μD1×dng ×∆t

4

= 1,28 × √

999130 ×764,752 ×0,2423
4,639.10−4 ×0,025×12,37

= 3523,5 (W/m2.độ)

(Cơng thức V.111, trang 30, [2])
Chọn hệ số phụ thuộc cách bố trí ống và số ống trong mỗi dãy thẳng đứng là 𝜀 = 0,5
 α1 = α × ε = 3523,5 × 0,5 = 1761,75 (W/m2.độ)
*Nhiệt tải của hơi ngưng tụ ngoài thành ống, 𝐪𝟏 :
q1 = q = α1 × (t D1 − t V1 ) = 1761,75 × (78,8 – 66,43) = 21792,85 (W/m2)
Tra Bảng 32, trang 32, [3]:
Nhiệt trở cặn bẩn phía hơi r1 =

1
5800

(m2.độ/W)

Nhiệt trở cặn bẩn phía dịng nước: r2 =
δ

Tổng nhiệt trở là: r = r1 + + r2 =


1

(m2.độ/W)

5000
1

0,002

5800

+

16,3

+

1
5000

= 4,95.10-4 (m2.độ/W)

Suy ra, nhiệt độ bề mặt thành trong của ống là:
t V2 = t V1 − q × r = 66,43 – 21792,85 × 4,95.10-4 = 55,640C
20


*Hệ số cấp nhiệt của dòng nước bên trong ống, 𝛂𝟐 :
Tại t V2 = 55,640C, ta có Prt = 3,224 (Phụ lục 7, trang 540, [4])
Chuẩn số Nu của dịng nước trong ống (Re > 10000):
Nu = 0,021 × ε1 × Re0,8 × PrN0,43 × (

PrN 0,25
Prt

)

(Cơng thức V.40, trang 14, [2])

Trong đó: Prt – chuẩn số Pran của dịng tính theo nhiệt độ trung bình của tường
Các thơng số khác tính theo nhiệt độ trung bình của dịng
ε1 – Hệ số điều chỉnh tính đến ảnh hưởng của tỉ số giữa chiều dài l và đường kính d
của ống
L

2

d

0,021

Ở đây, ε1 = 1 đối với =

= 95,2 (Bảng V.2, trang 15, [2])

 Nu = 0,021 × 1 × 226310,8 × 4,2430,43 × (
 α2 =

Nu×N
dtr

=

127,55 × 0,636
0,021

4,243 0,25

3,224

)

= 127,55

= 3863,12 (W/m2.độ)

*Nhiệt tải của dòng nước q2:
q2 = α2 × (t V2 − t 2 ) = 3850,768 × (55,64 – 50) = 21797,82 (W/m2)
*Kiểm tra điều kiện sai số ε0 < 0,05:
ε0 = |

q1 −q2
q2

|=|

21792,85 −21797,82
21797,82

| = 0,0002 (thỏa)

*Hệ số truyền nhiệt K:
1

K=

1
δ

1
+r + +r +
α1 1  2 α 2

=

1
1
1
0,002
1
1
+
+
+
+
1761,75 5800 16,3 5000 3863,12

= 756,66 (W/m2.0C)

*Diện tích bề mặt truyền nhiệt, F:

F=

Qnt ×1000
K×∆Tlog ×3600

=

2908,47.103 ×1000

756,66×37,93×3600

= 28,15 (m2)

*Chiều dài ống ứng với diện tích F là:
L=

F
dtr +dng
π×
2

=

28,15
0,021+0,025
π×
2

= 389,58 (m)
L

389,58

l

2

*Tổng số ống truyền nhiệt có chiều dài l = 2 m là n = =

= 194,79 ống.

Vậy, để dự trữ khoảng 20% diện tích bề mặt truyền nhiệt an toàn, ta chọn tổng ống
truyền nhiệt là n = 241 ống dài 2m.
*Cấu tạo thiết bị:
- Các ống bố trí ở đỉnh tam giác và tạo thành một chùm lục giác đều, với 241 ống thì:
+ Tổng số ống khơng kể các ống trong các hình viên phân là 217 ống.
+ Số ống trên đường xuyên tâm của lục giác đều là b = 17 ống.
+ Số ống trong các hình viên phân ở dãy thứ nhất là 4 ống.
(Theo Bảng V.11, trang 48, [2])
- Chọn bước ống t bằng 1,4 lần đường kính ngồi của ống truyền nhiệt:
t = 1,4 × dng = 1,4 × 25 = 35 (mm)
21