BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐỀ TÀI: Thiết kế hệ thống
chưng cất Aceton –Acid
Acetic

Mục lục
M UỞ ĐẦ 3
I-T NG QUAN:Ổ 3
II-THUY T MINH QUI TRÌNH CÔNG NGH :Ế Ệ 5
III. CÂN B NG V T CH T N NG L NGẰ Ậ Ấ Ă ƯỢ 5
V-TÍNH CHÓP VÀ TR L C C A THÁP :Ở Ự Ủ 11
VI-TÍNH TOÁN C KHÍ :Ơ 17
VII-TÍNH TOÁN THI T B TRUY N NHI T:Ế Ị Ề Ệ 24
VIII-TÍNH CHI U CAO B N CAO V :Ề Ồ Ị 34
MỞ ĐẦU
Ngày nay cùng với sự phát triển vượt bậc của nền công nghiệp thế
giới và nước nhà, các ngành công nghiệp cần rất nhiều hoá chất có độ tinh
khiết cao .
Chưng cất là một trong các quá trình hay dùng để làm sạch các chất lỏng.
Việc thiết kế hệ thống chưng cất, với mục đích là tách aceton ra khỏi hỗn
hợp Aceton – Acid Acetic là một trong các nhiệm vụ của kỹ sư ngành công
nghệ hóa học .
Vì thế, đề tài Thiết kế hệ thống chưng cất Aceton –Acid Acetic  
của môn Đồ An Môn Học Quá Trình Thiết Bị cũng là một bước giúp 
cho sinh viên tập luyện và chuẩn bị cho việc thiết kế quá trình & thiết bị
công nghệ trong lĩnh vực này.
Tập thuyết minh đồ án môn học này gồm 7 phần :
Phần I : Tổng quan
Phần II : Thuyết minh qui trình công nghệ
Phần III : Cân bằng vật chất và năng lượng
Phần IV : Tính toán các kích thước cơ bản của tháp

+ Làm phẩm màu, dược phẩm, nước hoa tổng hợp.
Chưng cất là quá trình dùng nhiệt để tách một hỗn hợp lỏng ra thành
các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn
hợp ở cùng một nhiệt độ
Về thiết bị : có thể sử dụng các loại tháp chưng cất sau :
-Tháp chưng cất dùng mâm xuyên lỗ hoặc mâm đĩa lưới
-Tháp chưng cất dùng mâm chóp
-Tháp đệm (tháp chưng cất dùng vật chêm )
Nhận xét về ưu khuyết điểm của từng loại tháp :
-Tháp mâm xuyên lỗ
Ưu điểm : chế tạo đơn giản , vệ sinh dễ dàng , trở lực thấp hơn tháp chóp ,
ít tốn kim loại hơn tháp chóp
Nhược điểm : yêu cầu lắp đặt cao : mâm lắp phải rất phẳng , đối với những
tháp có đường kính quá lớn (>2.4m) ít dùng mâm xuyên lỗ vì khi đó chất
lỏng phân phối không đều trên mâm
-Tháp chóp
Ưu điểm : hiệu suất truyền khối cao , ổn định , ít tiêu hao năng lượng hơn
nên có số mâm ít hơn
Nhược điểm : chế tạo phức tạp , trở lực lớn
-Tháp đệm :
Ưu điểm :chế tạo đơn giản , trở lực thấp
Nhược điểm :hiệu suất thấp , kém ổn định do sự phân bố các pha theo tiết
diện tháp không đều , sử dụng tháp chêm không cho phép ta kiểm soát quá
trình chưng cất theo không gian tháp trong khi đó ở tháp mâm thì quá trình
thể hiện qua từng mâm một cách rõ ràng , tháp chêm khó chế tạo được kích
thước lớn ở qui mô công nghiệp
Đề tài của đồ án môn học :
Đề tài của đồ án môn học là :Thiết kế tháp chưng cất dùng mâm chóp với
những dữ kiện cơ bản sau:
Nguyên liệu đầu vào (nhập liệu ) là hỗn hợp Aceton – Acid acetic

MA , MB :lần lượt là phân tử lượng của Aceton và Axit Acetic (kg/kmol)
-Phân tử lượng trung bình của các dòng
MF =xF.MA + (1-xF).MB = 0,3.58 + (1-0.3).60 = 59,4 (kg/kmol)
MD =xD.MA + (1- xD).MB = 0,97.58 + (1-0,97).60 = 58,06 (kg/kmol)
MW =xW.MA + (1- xW).MB = 0,005. 58 + (1-0,005).60 =59,99
(kg/kmol)
-Suất lượng dòng nhập liệu
F = = =50,505 (kmol/h)
Cân bằng vật chất cho toàn tháp ta có hệ sau:
F = D + W
F.xF =D.xD + W.xW
D = = 50,505 15,439 (kmol/h)
W= F -D =50,505 -15,439 = 35,066 (kmol/h)
Tóm lại ta có bảng sau:
F xF D xD W xW
50,505 0,3 15,439 0,97 35,066 0,005
-Tính chỉ số hồi lưu thích hợp:
Sử dụng công thức thực nghiệm : R =1,3.Rmin + 0,3 (CT IX-25b tr149-
STT2)
Với Rmin= (CT IX-24 Tr 149 STT2)
Với yF* là phân mol Aceton trong pha hơi cân bằng với xF . Từ số liệu
bảng tra IX-2a /tr135 STT2 , thành phần lỏng – hơi cân bằng ta có : xF = 0,3
thì y*F = 0,725. Do đó
Rmin= =0,576
Vậy R=1,3 Rmin + 0,3 =1,3.0,576 + 0,3 = 1,049
b-Xác định số mâm lý thuyết :
Việc xác định số mâm lý thuyết được tiến hành trên đồ thị y-x
-Phương trình đường làm việc của phần cất
y= + = + =0,512x + 0,473
-Phương trình đường làm việc của phần chưng

CB=2,281(kj/kgđộ)
Nên CW = xWMACA + (1-xW)MBCB = 0,005.58.2,349 + (1-
0,005).60.2,281 = 136,857 (kj/kmolđộ)
Do đó QW=35,066.136,857.(117,3-30)=116,4(kw)
d-Nhiệt làm nguội sản phẩm đỉnh từ 56,96oC xuống 30oC
Qsp =CD.D(TD-30)
Nhiệt dung riêng cũng được xác định ở nhiệt độ trung bình T= =43,48oC .
Tại nhiệt độ này ta có : CA=2,251 (kj/kgđộ) , CB=2,119 (kj/kgđộ)
Tương tự ta tính được CD=130,455(kj/kmolđộ)
Do đó Qsp = 130,455.15,439.(56,96-30)=15,083(kw)
e-Nhiệt lượng cung cấp cho đáy tháp
Từ cân bằng nhiệt lượng ta có
Qđ = DCDTD + WCWTW + QD – FCFTF=15,439.130,455.56,96 +
35,066.136,857.117,3 + 2,049.15,437.30047,376 – 50,505.132,217.85,8 =
293,1 (kw)
Tuy nhiên nếu coi tổn thất nhiệt chiếm khoảng 10% nhiệt lượng ta có Qđ =
1,1.293,1 = 322,41 (kw)
IV. TÍNH TOÁN CÁC KÍCH THƯỚC CƠ BẢN CỦA THÁP
a-Khối lượng riêng trung bình của pha hơi
Phần cất : gọi xpcất là nồng độ phần mol trung bình của cấu tử
A(benzen) trong pha lỏng của phần cất
Ta có : xpcất = = =0,635 (phân mol)
Từ đường làm việc của phần cất ta có nồng độ của pha hơi tương ứng là
ypcất = 0,512 xpcất + 0,473 = 0,512 x 0,635 + 0,473 = 0,798
(phân mol)
Phần chưng : gọi xpchưng là nồng độ phân mol trung bình của cấu tử
A trong pha lỏng của phần chưng
Ta có : xpchưng = = =0,153 (phân mol)
Do đó ypchưng=2,108xpchưng – 0,0055 = 2,108 x 0,153 – 0,0055 =
0,317(phân mol)

L =( L(đỉnh) + L(đáy))/2=(1083,95 + 925,57)/2=1004,76 (kg/m3)
c-Vận tốc hơi trung bình trong toàn tháp
Theo sổ tay tập II trang 175 công thức (IX-105) ta có
( G y)tb =0,065 [ ]    
Trong đó
y : vận tốc trung bình của pha hơi (m/s)
G , L: khối lượng riêng trung bình của pha hơi và pha lỏng (kg/m3) 
h: khoảng cách giữa các mâm (m). Giá trị h được chọn sao cho để giảm
đến mức thấp nhất lượng lỏng bị hơi cuốn theo
[ ] là hệ số có tính đến sức căng bề mặt  
Khi < 20 (dyn/cm) thì [ ] = 0,8   
> 20 (dyn/cm) thì [ ] = 1  
Ở đây ta tra bảng có được = 18,99 (dyn/cm) < 20 nên [ ] = 0,8  
Chọn khoảng cách giữa các mâm là h=0,35 (m)
Do đó
( G y)tb =0,065 [ ]    
(1,958. y) = 0,065 .0,8 . 
y = 0,697 (m/s)
d-Lưu lượng hơi qua tháp :
Phương trình cân bằng vật chất cho bao hình ta có:
gF + gy = Lx + D
gtl = Lx + D
Phương trình cân bằng cho cấu tử dễ bay hơi ta có :
gtlytl = LxxF + DxD (2)
Ở đây coi nhiệt độ trung bình trong toàn tháp là nhiệt độ trung bình của đỉnh
và đáy tháp
T = = 87,13oC
-Lượng hơi ra khỏi đỉnh tháp :
gđỉnh = D + Lo = D(R+1) = 15,439.(1,049 +1) = 31,635 (kmol/h)
Cân bằng năng lượng ta có :

g = = = 36,058 (kmol/h)
Ở nhiệt độ trung bình là 87,13oC thì lưu lượng hơi trung bình (m3/h) là :
Qv = = =1065,482(m3/h)
g-Đường kính tháp :
D= = = 0,736 (m)
Dựa vào bảng đường kính tiêu chuẩn của các loại tháp chưng luyện ta chọn
D = 0,8(m)
h-Xác định số đĩa thực và chiều cao tháp :
Tại đỉnh :
Ta có xD = 0,97 TD = 56,96oC
yD* = 0,998(phân mol)
-Độ bay hơi tương đối :
D = = =15,433
-Độ nhớt động học
Tại nhiệt độ đỉnh ta có : A = 0,235 (Cp) , B = 0,727 (Cp) 
lg = xDlg A + (1-xD)lg B  
lg = 0,97lg(0,235) + (1-0,97)lg(0,727) = -0,614
= 0,243 (Cp)
Vậy D D = 15,433.0,243 = 3,754.Tra giản đồ Tập 3-Truyền khối trang 
93 ta có E1 = 0,38
Tại đáy :
Tương tự ta có :
Độ bay hơi tương đối : W = 3,277
Độ nhớt động học : = 0,373
W W =1,223 E2 = 0,49 
Tại mâm nhập liệu :
Tương tự ta có :
Độ bay hơi tương đối : F = 6,152
Độ nhớt động học : = 0,390
F F =2,401 E3 = 0,42 

y: vận tốc pha hơi (m/s)
y = = = 5,59 (m/s)
x, y : Khối lượng riêng của pha lỏng và pha hơi (kg/m3) 
Do đó :
hso = = 0,0125(m) = 12,5(mm)
chọn hso = 15,5 mm
-Số lượng khe trên mỗi chóp :
i= = = 25 khe
Với c:khoảng cách giữa các khe (3-4mm) . Chọn c=3 mm
-Chiều rộng khe chóp được xác định từ liên hệ :
i(c+a) = dch
a = - c = - 3 = 7 (mm)
-Khoảng cách từ mâm đến chân ống chảy chuyền
Chọn S1 = 28 (mm)
-Chiều cao ống chảy chuyền
hc = (hts + hso + hsc) - h + hsr
Trong đó :
h : chiều cao mực chất lỏng bên trên ống chảy chuyền . Chọn h = 17 
(mm)
Do đó : hc = (27 + 12,5 + 12,5 + 5) – 17 = 40 (mm) .
-Bước tối thiểu của chóp trên mâm :
tmin = dch + 2 ch + l2 
Trong đó :
ch : bề dày của chóp (mm) .Chọn ch = 2(mm) 
l2 : khoảng cách nhỏ nhất giữa các chóp được xác định theo công thức
sau :
l2 = 12,5 + 0,25dch = 12,5 + 0,25.73,5 = 31 (mm)
tmin = 73,5 + 2.2 + 31 = 108 (mm)
-Chọn lỗ chóp hình chữ nhật , độ mở lỗ chóp được xác định theo công thức
sau:

Trong đó :
Cg : hệ số hiệu chỉnh cho suất lượng pha khí
Cg = f(1,34 )
Bm: bề rộng trung bình của mâm
Bm = . Với A: phần diện tích mâm nằm giữa hai hình viên phân chảy
chuyền
A = Smâm – 2Sd
Smâm = = =0,50265 (m2)
Sd : diện tích ống chảy chuyền hình viên phân
Sd = SOAmB - S OAB 
SOAmB= = arcsin . =arcsin =0,103 (m2)
S OAB=h.Lw/2 = 0,32.0,48/2 = 0,0768 (m2)
(do h = = = 0,32 (m)
Do đó :
Sd = 0,103 – 0,0768 = 0,0262 (m2)
Ta có :
Vậy diện tích hai phần ống chảy chuyền chiếm 10,5% tổng diện tích một
mâm
A = Smâm – 2Sd =0,50265 – 2.0,0262 = 0,45025 (m2)
-Khoảng cách giữa hai gờ chảy tràn l = Dt – 2dw = 0,8 – 2.0,08 = 0,64 (m)
Do vậy
Giá trị : 1,34
0,82 = 0,82.0,697. = 0,801
Tra giản đồ 5.10 tập 3-truyền khối trang 80 ta có : Cg =0,7
Tính : Ta có 
4 = f(hm,QL,Bm,hsc)
Trong đó :
hm : chiều cao mực chất lỏng trung bình trên mâm
hm = hts + hsc + hsr + hso
hts : khoảng cách từ mép trên khe chóp đến bề mặt chất lỏng (15-

)
hss = 60 - (9,07 + 5,25/2 + 15,5 +5 +12,5) = 20,31 (mm)
Do đó :
ht =hfv + hs + hss + how + /2 = 11 + 14,9 +20,31 + 9,07 + 5,25/2 =
57,9 (mm)
-Kiểm tra sự hoạt động ổn định của mâm
Điều kiện : ( hfv + hs )/2  
Ta có : (hfv + hs )/2 = (11+14,9)/2 =13 > . Chứng tỏ mâm hoạt động ổn
định
-Chiều cao gờ chảy tràn :
hw = hm – (how + /2) = 60 - (9,07 + 5,25/2) = 48,3 (mm)
-Chiều cao mực chất lỏng không bọt trong ống chảy chuyền
hd =hw + how + ht + hd’ + (mm chất lỏng)
Trong đó : hd’ : tổn thất thủy lực do dòng chảy từ trong ống chảy chuyền
vào mâm
hd’ = 0,128 =0,128. = 0,126 (mm)
hd = 48,3 + 9,07 + 57,9 + 0,126 + 5,25 =120,6 (mm)
Chiều cao hd là thông số để kiểm tra khoảng cách mâm . Nếu hd < H/2 thì
mâm hoạt động bình thường không bị ngập lụt (H: khoảng cách giữa các
mâm )
Vì H/2 = 175 > hd nên mâm hoạt động bình thường
-Chất lỏng chảy vào ống chảy chuyền : Để kiểm tra xem chất lỏng chảy vào
ống chảy chuyền có đều hay không và chất lỏng không va đập vào thành
bình ta tính thông số
dtw = 0,8 = 0,8 = 0,8 =40,1
dtw < 0,6.dw = 0,6.80 = 48
Điều này chứng tỏ chất lỏng không va đập thành bình và xem như chất lỏng
chảy vào ống chảy chuyền là đều
-Độ lôi cuốn chất lỏng
= 

Trong đó : b : khối lượng riêng của bọt b= (0,4-0,6) L   
Chọn b= 0,5. L=1004,76/2=502,38 (kg/m3) 
hb:chiều cao lớp bọt trên đĩa , m được xác định theo công thức :
hb =
Trong đó :
hc:chiều cao phần chảy chuyền viên phân trên mâm ,m
hx : chiều cao lớp chất lỏng không bọt trên mâm , m
: chiều cao mực chất lỏng trên mâm , m
F:phần bề mặt đĩa có gắn chóp , m2
f: tổng tiết diện của chóp trên đĩa , m2
f =0,785.dch2.n = 0,785.73,52.27.10-6 = 0,1145 m2
hch: chiều cao của chóp , m
Ta có : hh=hsc + hsr + hso + hts - - h2 = 12,5 + 5 + 15,5 + 27- 5,25 –12,5
=42,25(mm)
hch = hh +12,5 = 42,25 + 12,5 = 54,75 (mm)
Do vậy :
hb=
hb= 0,05 m =50 mm
Vậy:
pt = 502,38.9,81.(0,05 –0,0155/2) = 208,22 N/m2
pd = 27,43 + 21,7 + 208,22= 557,35 N/m2 
Trở lực của tháp chóp :
p = Nt . pd = 29.557,35 =16163 N/m2 
VI-TÍNH TOÁN CƠ KHÍ :
a-Tính bề dày thân thiết bị :
-Nhiệt độ tính toán trong tháp lấy bằng nhiệt độ cao nhất trong thiết bị : T =
117,3oC.
-Ap suất tính toán : tính cho trường hợp xấu nhất là chất lỏng dâng lên đầy
tháp
p= pmt + p +pcl = 105 + 16163 + 10,7.1004,76.9,81 = 221629,643

-Chọn sơ bộ Sn = Sđ = Sth = 4 mm
-Kiểm tra bền ta có :
+ < 0,125
+ Ap suất tính toán cho phép :
[p]= (N/mm2) > p
Vậy Sn = Sđ = 4 mm
c-Tính bích cho thiết bị:
Ta tính bích theo phương pháp tải trọng giới hạn :
-Chọn vật liệu làm bích là thép CT3 , vật liệu làm bulông là CT4
Dựa vào sổ tay tập II-trang 408 ta chọn các thông số bích như sau :
Ký hiệu Dt Db D D1 h
db Z
mm 800 880 930 850 20 20
24
-Chọn bích liền kiểu phẳng
Khi xiết bulông sẽ sinh ra lực nén chịu trục Q1 , lực này nhằm khắc phục tải
trọng do áp suất bên trong thiết bị và áp suất phụ sinh ra ở trên đệm để giữ
cho mối ghép được kín
Q1 = Qa + Qk
Trong đó :
Qa : lực do áp suất trong thiết bị gây ra (N)
Qa = (N)
Qk : lực cần thiết để giữ được kín trong đệm.
Qk = .Dtb.bo.m.p
Trong đó :
Dtb : đường kính trung bình của đệm
-Chọn đường kính ngoài đệm Dn = 847 mm
-Chọn đường kính trong đệm =827 mm
Dtb = mm
-Bề rộng thật của đệm b = 20 mm

-Tính bề dày bích :
Bề dày bích được xác định theo công thức :

Trong đó :
[ bi] = ko. [ bi’] = 0,8.107,3 = 85,84 (N/mm2)  
với [ bi’] : ứng suất cho phép của vật liệu làm bích (tra ở bảng 7-6 –
Hồ Lệ Viên)
l: cánh tay đòn được xác định theo công thức :

Chọn t =18,5 mm
d-Tính các đường ống dẫn :
-Để tính đường kính tối ưu của các đường ống dẫn khí và lỏng , ta có tiêu
chuẩn về vận tốc thích hợp của khí và lỏng trong đường ống :
Vận tốc khí : 15-30 m/s
Vận tốc dòng lỏng : 1-3 m/s
-Đường kính ống dẫn được xác định theo công thức :
d =
Trong đó :
Q : lưu lượng thể tích (m3/s)
v : vận tốc dòng lỏng hoặc khí (m/s)-chọn theo bảng II-2 -Sổ tay tập I
trang 369
d: đường kính ống dẫn – Chọn theo bảng XIII-32-Sổ tay tập II trang 422
-Chọn bích nối loại bích liền (kiểu bích phẳng) . Sau khi chọn , tính và qui
chuẩn ta có bảng sau:

Tên gọi Dy Dn D Db D1 h Bulong
db Z
Ống dẫn hơi ra ở đỉnh 150 159 260 225 202 16 M16 8
Ống hoàn lưu 25 32 100 75 60 12 M10 4
Ống nhập liệu 50 57 140 110 90 12 M12 4

g-Tính tai treo :
-Chọn vật liệu làm tai treo là CT3 , tấm lót là vật liệu làm thân thiết bị
-Diện tích tai đỡ :
F = (mm2) = 0,0336 m2
-Chọn số tai treo n = 4
+ Tải trọng lên 1 tai treo là :
G* = (N)
+ Các thông số của tai treo được chọn theo sổ tay tập II và được lập thành
bảng sau:

Tải trọng cho phép
trên 1 tai treo(N)
Bề mặt đỡ ,m2 Tải trọng cho phép lên bề mặt đỡ,q.10-6 N/m2
L
B
B1
H
S
l
a
d Khối lượng 1 tai treo,kg
2,5 173 1,45 150 120 130 215 8 60 20
30 3,48
-Tấm lót tai treo làm bằng vật liệu làm thân tháp có các thông số sau :
+ Chiều cao tấm lót : H = 260 mm
+ Chiều rộng tấm lót : B = 140 mm
+ Chiều dày tấm lót : SH = 6 mm
h-Tính chân đỡ :
-Chọn số chân đỡ là 4
-Vật liệu chế tạo chân đỡ là CT3

Đối với ống dẫn hơi có dngoài = 0,159 m , S = 4mm thì hai điều kiện trên
hiển nhiên thỏa , do đó đối với ống dẫn lỏng có đường kính nhỏ hơn đường
kính ống dẫn hơi nên cũng thỏa mãn hai điều kiện trên .Do vậy ta không cần
tăng cứng .
VII-TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT:
1-Tính thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh:
Đường đi của lưu chất:
-Dòng hơi sản phẩm đỉnh đi ngoài vỏ , nước đi trong vỏ do nước bẩn hơn
hơi sản phẩm đỉnh
Dòng nóng : 57oC (hơi) 57oC (lỏng)
Dòng lạnh : 40oC 28oC
-Chênh lệch nhiệt độ đầu vào : tv = 57 – 40 =17 oC
-Chênh lệch nhiệt độ đầu ra: tr = 57 – 28 = 29 oC
-Chênh lệch nhiệt độ trung bình :
tlog = oC
-Nhiệt độ trung bình của dòng lạnh : t1= oC . Tại nhiệt độ này ta có các
thông số vật lý của dòng lạnh như sau:

1=0,62 (W/m.độ )
C1=4174,1 (J/kg.độ )
1=0,76.10-3 (N.s/m2)
1= 994,6 (kg/m3)
QD = 264 kw : nhiệt trao đổi ở thiết bị ngưng tụ .
-Lượng nước cần giải nhiệt :
Gn = (kg/s)
-Chọn ống tiêu chuẩn có đường kính là :25 x 2mm , ống được xếp thành
vòng tròn đồng tâm có số ống n = 37 ống

v = 93 (W/m.độ) – chọn vật liệu là đồng thau 
Do đó :
rw = rcáu1 + rcáu2 + = (0,387 + 0,464 + 2/93 ).10-3= 0,877.10-3
(m2.độ/W)
tw1= tw2 - ch. t2. rw = 51 – 5478,2.6.0,877.10-3 = 22, oC  
Tại nhiệt độ này ta có :
Pr = 5
Prw= 3,6
Do vậy :
Nu = 0,021.(Re)0,8.(Pr)0,43.(Pr/Prw)0,25 = 0,021.(11433)0,8.
(5)0,43.1,09 = 80,7
Nên hệ số cấp nhiệt từ thành trong của ống đến nước :
1= (W/m2.độ)
-Chênh lệch nhiệt độ : t1= t1 - tw1 = 34 – 22 = 12 oC
-Nhiệt tải q:
Dòng lạnh : q1= 1. t1=2582,6.12 = 30991,2 (W/m2)
Dòng nóng: q2 = ch. t2 = 5478,2.6 =32069,2 (W/m2)