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 n Môn Học Quá Trình Thiết Bò ″ cũng là một bước giúp cho sinh viên
tập luyện và chuẩn bò cho việc thiết kế quá trình & thiết bò công nghệ trong lónh
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
Phần V : Tính chóp và trở lực của tháp
Phần V I : Tính toán cơ khí
Phần VII : Tính thiết bò truyền nhiệt
Phần VIII : Tính chiều cao bồn cao vò
Phần IX : Tính cách nhiệt
Phần X : Tính toán giá thành cho thiết bò
Tài liệu tham khảo
Để hoàn thành đồ án này , thực sự em đã cố gắng rất nhiều . Song , vì đây
là bước đầu làm quen với công tác thiết kế nên chắc hẳn không tránh khỏi những
sai sót.
Cuối cùng , em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Máy –
Thiết Bò , đặc biệt là thầy Trần Tấn Việt , người đã trực tiếp hướng dẫn và giúp
đỡ em rất nhiều trong suốt thời gian thực hiện đồ án thiết kế này .
I-TỔNG QUAN:
Aceton và acid acetic là hai loại hoá chất quan trọng trong nghành công

Ưu điểm : hiệu suất truyền khối cao , ổn đònh , 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 đònh 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
Nồng độ Aceton trong nhập liệu là 30% khối lượng.
Năng suất nhập liệu là 3000 kg /h
Nồng độ Aceton trong sản phẩm đỉnh là 97% khối lượng.
Nồng độ Aceton trong sản phẩm đáy là 0,5 % khối lượng.
Tháp hoạt động liên tục , chưng cất ở áp suất thường
II-THUYẾT MINH QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ:
Nhập nguyên liệu là hỗn hợp Aceton – Acide acetic được đưa vào bồn chứa
nguyên liệu. Sau đó nhập liệu được bơm đưa lên bồn cao vò. Từ đây nhập liệu qua
thiết bò gia nhiệt bằng hơi nước bão hòa đưa nhiệt độ nhập liệu từ 30
o
C lên nhiệt
độ sôi 85,8
o
C và đưa vào tháp chưng cất tại mâm nhập liệu.
-Hơi ra ở đỉnh tháp được dẫn qua thiết bò ngưng tụ, tại đây hơi được ngưng tụ hoàn
toàn thành lỏng bão hòa , được hoàn lưu vào tháp với tỷ số hoàn lưu R và phần

F
.M
A
+ (1-x
F
).M
B
= 0,3.58 + (1-0.3).60 = 59,4 (kg/kmol)
M
D
=x
D
.M
A
+ (1- x
D
).M
B
= 0,97.58 + (1-0,97).60 = 58,06 (kg/kmol)
M
W
=x
W
.M
A
+ (1- x
W
).M
B
= 0,005. 58 + (1-0,005).60 =59,99 (kg/kmol)

005,03,0
15,439 (kmol/h)
W= F -D =50,505 -15,439 = 35,066 (kmol/h)
Tóm lại ta có bảng sau:
F x
F
D x
D
W x
W
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.R
min
+ 0,3 (CT IX-25b tr149-
STT2)
Với R
min
=
FF
FD
xy
yx
−
−
*
*
(CT IX-24 Tr 149 STT2)
Với y
F

b-Xác đònh số mâm lý thuyết :
Việc xác đònh số mâm lý thuyết được tiến hành trên đồ thò y-x
-Phương trình đường làm việc của phần cất
y=
x
R
R
1
+
+
1
+
R
x
D
=
x
049,2
049,1
+
049,2
97,0
=0,512x + 0,473
-Phương trình đường làm việc của phần chưng
y=
x
R
fR
1
+

005,097,0
−
−
=3,271
Dựng đường làm việc của tháp bao gồm đường làm việc của phần cất và
phần chưng . Trên đồ thò y-x ta lần lượt vẽ các đường bậc thang từ đó xác đònh
được số mâm lý thuyết là 12 mâm
B-CÂN BẰNG NHIỆT LƯNG:
a-Nhiệt trao đổi ở thiết bò ngưng tụ
Q
D
=(R+1)D.r
D
(CT 6.15 /TR 256- T10)
• Với r
D
= x
D
.M
A
.r
A
+ (1-x
D
)M
B
.r
B
• Tại x
D

F
= 85,8
o
C
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
x
y
• Nhiệt dung riêng của nhập liệu tra ở nhiệt độ trung bình T=
2
308,85
+
=57,9
o
C tại nhiệt độ này ta có C
A
=2,298 (kj/kgđộ) , C
B
=2,196 (kj/kgđộ) (Bảng
I.153 TR171-STT1).

W
(T
W
-30)
Nhiệt dung riêng được xác đònh ở nhiệt độ trung bình T=
2
303,117
+
=73,65
o
C . Tại
nhiệt độ này tra bảng I.153 TR171-STT1 ta có : C
A
=2,349(kj/kgđộ) ,
C
B
=2,281(kj/kgđộ)
Nên C
W
= x
W
M
A
C
A
+ (1-x
W
)M
B
C

Tương tự ta tính được C
D
=130,455(kj/kmolđộ)
Do đó Q
sp
= 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
Q
đ
= DC
D
T
D
+ WC
W
T
W
+ Q
D
– FC
F
T
F
=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 Q
đ
=

pchưng
=
2
FW
xx +
=
2
3,0005,0
+
=0,153 (phân mol)
Do đó y
pchưng
=2,108x
pchưng
– 0,0055 = 2,108 x 0,153 – 0,0055 = 0,317(phân mol)
Tra đồ thò T-xy ta có nhiệt độ của pha hơi tương ứng là
Từ y
pcất
= 0,798 (phân mol) T
G(cất)
= 82
o
C
Từ y
pchưng
= 0,317 (phân mol) T
G(chưng)
= 103,3
o
C

273.
)(
+
catG
pcat
T
M
=
)27382(4,22
273.404,58
+
= 2,005 (kg/m
3
)
Phần chưng :
ρ
G(chưng)
=
)273(4,22
273.
)(
+
chungG
pchung
T
M
=
)2733,103(4,22
273.366,59
+

Khối lượng riêng của sản phẩm đỉnh là
ρ
L(đỉnh)
= x
D
. ρ
A
+ (1- x
D
) ρ
B
= 0,97.814,2 + (1-0,97)807,2 = 1083,95 (kg/m
3
)
Ở đáy : ứng với x
W
= 0,005 tra đồ thò T-xy ta có T
W
= 117,3
o
C . Ở nhiệt độ này ,
khối lượng riêng của aceton và acid acetic là: ρ
A
=668,78 (kg/m
3
) và ρ
B
=
926,86(kg/m
3

)
tb
=0,065ϕ
[
σ
]
L
G
h
ρρ
Trong đó
ω
y
: vận tốc trung bình của pha hơi (m/s)
ρ
G
, ρ
L
: khối lượng riêng trung bình của pha hơi và pha lỏng (kg/m
3
)
h: khoảng cách giữa các mâm (m). Giá trò h được chọn sao cho để giảm đến mức
thấp nhất lượng lỏng bò hơi cuốn theo
ϕ
[
σ
]
là hệ số có tính đến sức căng bề mặt
Khi σ < 20 (dyn/cm) thì ϕ
[

y
) = 0,065 .0,8 .
76,1004.958,1.35,0
ω
y
= 0,697 (m/s)
d-Lưu lượng hơi qua tháp :
Phương trình cân bằng vật chất cho bao hình ta có:
g
F
+ g
y
= L
x
+ D
g
tl
= L
x
+ D
Phương trình cân bằng cho cấu tử dễ bay hơi ta có :
g
tl
y
tl
= L
x
x
F
+ Dx

tl
r
A
M
A
+ (1-y
tl
)r
B
M
B
= y
tl
.522,146.58 + (1-y
tl
).373,023.60 = 7903,088y
tl

+22381,38 (kj/kmol)
r
đỉnh
= x
D
r
A
M
A
+ (1-x
D
)r

e-Lượng hơi vào phần chưng :
Cân bằng vật chất và năng lượng ta có hệ sau :
L
đáy
= g
đáy
+ W
L
đáy
x
đáy
= g
đáy
y
đáy
+ Wx
W
g
tl
r
tl
= g
đáy
r
đáy
Với r
đáy
= y
đáy
r

dáy
= 42,396 (kmol/h)
f-Lưu lượng hơi trung bình trong toàn tháp :
-Lưu lượng hơi trung bình trong phần cất :
g
pcất
=
2
tldinh
gg +
=
2
1,35635,31
+
= 33,368 (kmol/h)
-Lưu lượng hơi trung bình trong phần chưng :
g
pchưng
=
2
tlday
gg
+
=
2
1,35396,42
+
=38,748(kmol/h)
-Lưu lượng hơi trung bình trong toàn tháp :
g =

ω
0,785
Q
v
=
697,0.785,0
3600/482,1065
= 0,736 (m)
Dựa vào bảng đường kính tiêu chuẩn của các loại tháp chưng luyện ta chọn D =
0,8(m)
h-Xác đònh số đóa thực và chiều cao tháp :
Tại đỉnh :
Ta có x
D
= 0,97 T
D
= 56,96
o
C
y
D
*
= 0,998(phân mol)
-Độ bay hơi tương đối :
α
D
=
D
D
D

µ = 0,243 (Cp)
Vậy µ
D
α
D
= 15,433.0,243 = 3,754.Tra giản đồ Tập 3-Truyền khối trang 93 ta có E
1
= 0,38
Tại đáy :
Tương tự ta có :
Độ bay hơi tương đối : α
W
= 3,277
Độ nhớt động học : µ = 0,373
α
W
µ
W
=1,223 E
2
= 0,49
Tại mâm nhập liệu :
Tương tự ta có :
Độ bay hơi tương đối : α
F
= 6,152
Độ nhớt động học : µ = 0,390
α
F
µ

E
N
LTPC
=
43,0
3
= 7 (mâm)
l- Số mâm thực tế phần chưng:
N
thpch
= N
th
– N
thpc
= 29 -7 = 22 (mâm)
m-Chiều cao tháp :
H = (N
th
–1)h + N
th
δ + (0,8-1)
Chọn δ :chiều dày mâm (δ =4mm) , h:khoảng cách giữa các mâm (h=0,35m)
Do đó : H = 28.0,35 + 29.0,004 + 0,8 = 10,7 (m)
V-TÍNH CHÓP VÀ TRỞ LỰC CỦA THÁP :
-Chọn đường kính trong của ống hơi theo tiêu chuẩn là: d
h
= 50(mm )
-Số chóp phân bố trên một mâm : Trong thực tế thường chọn tổng tiết diện ống hơi
trên mỗi mâm =10% . tiết diện tháp nên ta có:
n.

= 0,25d
h
= 0,25.50 = 12,5(mm)
-Đường kính chóp :
d
ch
=
2
2
)2(
chhh
dd
δ
++
=
22
)2.250(50
++
= 73,5(mm)
-Khoảng cách từ chân chóp đến mặt mâm h
sc
: chọn h
sc
= 12,5(mm)
-Chiều cao mực chất lỏng trên khe chóp h
ts
= 15-40(mm) chọn h
ts
=29(mm)
-Chiều cao hình học của khe chóp :

=
27.)05,0.(785,0
3600/482,1065
2
= 5,59 (m/s)
ρ
x
,ρ
y
: Khối lượng riêng của pha lỏng và pha hơi (kg/m
3
)
Do đó :
h
so
=
76,1004.81,9
964,1.2.59,5
2
= 0,0125(m) = 12,5(mm)
chọn h
so
= 15,5 mm
-Số lượng khe trên mỗi chóp :
i=
)
4
(
2
so

5,73.
π
- 3 = 7 (mm)
-Khoảng cách từ mâm đến chân ống chảy chuyền
Chọn S
1
= 28 (mm)
-Chiều cao ống chảy chuyền
h
c
= (h
ts
+ h
so
+ h
sc
) - h + h
sr
Trong đó :
h : chiều cao mực chất lỏng bên trên ống chảy chuyền . Chọn h = 17 (mm)
Do đó : h
c
= (27 + 12,5 + 12,5 + 5) – 17 = 40 (mm) .
-Bước tối thiểu của chóp trên mâm :
t
min
= d
ch
+ 2
ch

G
S
Q
h
ρρ
ρ
−
Trong đó :
Q
v
: lưu lượng pha hơi (m
3
/s)
S
s
: tổng diện tích các lỗ chóp trên một mâm , m
2
S
s
= n.i.h
so
.a = 27.25.12,5.7.10
-6
= 0,059 (m
2
)
Do đó :
h
s
=7,55

L
Q
Trong đó:
Q
L
: lưu lượng lỏng (m
3
/h)
E : hệ số hiệu chỉnh cho gờ chảy tràn
E = f(
),
5,2
D
L
L
Q
w
w
L
L
w
: chiều dài gờ chảy tràn
Chọn L
w
= 0,6D = 0,6.0.8 = 0,48 (m)
Tính Q
L
:
-Lưu lượng lỏng phần chưng :
Q

Do đó :
Q
L
=
602,2
2
343,1862,3
2
=
+
=
+
chungcat
QQ
(m
3
/h)
Tra bảng phụ lục IX-22 –Sổ tay quá trình và thiết bò tập II trang 177 ta có :
E=1,035
Do đó :
h
ow
= 2,84.1,035.(
07,9)
48,0
602,2
3/2
=
(mm)
-Gradient chiều cao mực chất lỏng trên mâm :

A = S
mâm
– 2S
d

S
mâm
=
4
2
t
D
π
=
4
8,0
.
2
π
=0,50265 (m
2
)
S
d
: diện tích ống chảy chuyền hình viên phân
S
d
= S
OAmB
- S

)
S

OAB
=h.L
w
/2 = 0,32.0,48/2 = 0,0768 (m
2
)
(do h =
4
2
2
w
t
L
R
−
=
4
48,0
4,0
2
2
−
= 0,32 (m)
Do đó :
S
d
= 0,103 – 0,0768 = 0,0262 (m

A
B
m
===
Giá trò : 1,34
981,4
7,0
602,2
34,1
==
m
L
B
Q
0,82
Gy
w
ρ
= 0,82.0,697.
964,1
= 0,801
Tra giản đồ 5.10 tập 3-truyền khối trang 80 ta có : C
g
=0,7
Tính 
/
: Ta có
4
/
= f(h

: khoảng cách từ mép dưới chóp đến mâm (0-25 mm)
Chọn h
sc
= 12,5 (mm)
h
sr
: Khoảng cách từ mép dưới khe chóp đến mép dưới chóp . Chọn h
sr
=
5mm
h
so
: chiều cao khe chóp
h
m
= 27 + 12,5 + 5 + 15,5 = 60 (mm)
Tra giản đồ hình 5.13a-truyền khối tập 3 trang 81 ta có : 4
/
= 6 
/
=1,5
m: số hàng chóp phải trải qua của pha lỏng m = 5
 = 0,7.1,5.5 = 5,25 (mm)
-Độ giảm áp của pha khí trên một mâm
h
t
=h
fv
+ h
s

S
r
=n.S
rj
=
4
.
.
2
h
d
n
π
=
053,0
4
05,0.
.27
2
=
π
(m
2
)
-Diện tích hình vành khăn giữa thân chóp và ống hơi
S
aj
=
)(
4

296,0
).(
964,176,1004
964,1
(
−
=11 mm
h
ss
: chiều cao thủy tónh lớp chất lỏng trên khe chóp đến gờ chảy tràn
Ta có : h
w
= h
ss
+ h
so
+ h
sr
+ h
sc
Mà : h
m
= h
w
+ h
ow
+ /2
h
ss
= h

+ h
ow
+/2 = 11 + 14,9 +20,31 + 9,07 + 5,25/2 = 57,9 (mm)
-Kiểm tra sự hoạt động ổn đònh của mâm
Điều kiện :   ( h
fv
+ h
s
)/2
Ta có : (h
fv
+ h
s
)/2 = (11+14,9)/2 =13 >  . Chứng tỏ mâm hoạt động ổn đònh
-Chiều cao gờ chảy tràn :
h
w
= h
m
– (h
ow
+/2) = 60 - (9,07 + 5,25/2) = 48,3 (mm)
-Chiều cao mực chất lỏng không bọt trong ống chảy chuyền
h
d
=h
w
+ h
ow
+ h

là thông số để kiểm tra khoảng cách mâm . Nếu h
d
< H/2 thì mâm
hoạt động bình thường không bò ngập lụt (H: khoảng cách giữa các mâm )
Vì H/2 = 175 > h
d
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
d
tw
= 0,8
o
ow
hh .
= 0,8
)(
dwow
hhHh
−+
= 0,8
)6,1203,48350(07,9
−+

=40,1
d
tw
< 0,6.d
w

f
=
%7,91%100.
175
5,160
%100.
2/
==
H
h
d

Tra giản đồ 5.15 trang 82 –truyền khối tập 3 ta có :  = 0,1

)/(467
9,0
615,4203.1,0
1
.
hkg
L
e
==
−
=
ψ
ψ
-Tính toán trở lực của tháp chóp :
Trở lực của tháp chóp được xác đònh theo công thức :
p = N

oy
w
ρ
ξ

Trong đó : ξ : hệ số trở lực thường ξ = 4,5-5 . Chọn ξ = 5
ρ
y
: khối lượng riêng trung bình của pha hơi (kg/m
3
)
w
o
: vân tốc khí qua rãnh chóp được xác đònh theo công thức :

nd
Q
w
h
v
o
..785,0
2
=
=
27.05,0.785,0
296,0
2
= 5,59 (m/s)
Do vậy : p

10.5,15.2.4
)(2
..4.4
−
−
+
=
+
=
so
sox
ha
haf
π
=3,5.10
-3
(m) =3,5 mm
Do vậy : p
σ

=
3
3
10.5,3
10.99,18.4
−
−
=21,7 (N/m
2
)

b
:chiều cao lớp bọt trên đóa , m được xác đònh theo công thức :
h
b
=
b
bxchbxxxc
F
fhhfhFhh
ρ
ρρρ
.
.).(..)1)((
−++−−∆+

Trong đó :
h
c
:chiều cao phần chảy chuyền viên phân trên mâm ,m
h
x
: chiều cao lớp chất lỏng không bọt trên mâm , m
∆: chiều cao mực chất lỏng trên mâm , m
F:phần bề mặt đóa có gắn chóp , m
2
f: tổng tiết diện của chóp trên đóa , m
2

f =0,785.d
ch

b
=
1000.38,502.45025,0
38,502.1145,0).6075,54(1145,0.38,502.6076,1004).145025,0).(6025,540(
−++−−+
h
b
= 0,05 m =50 mm
Vậy:
p
t
= 502,38.9,81.(0,05 –0,0155/2) = 208,22 N/m
2
p
d
= 27,43 + 21,7 + 208,22= 557,35 N/m
2

Trở lực của tháp chóp :
p = N
t
. p
d
= 29.557,35 =16163 N/m
2
VI-TÍNH TOÁN CƠ KHÍ :
a-Tính bề dày thân thiết bò :
-Nhiệt độ tính toán trong tháp lấy bằng nhiệt độ cao nhất trong thiết bò : T =
117,3
o

tạo máy hóa chất –Thiết bò làm việc với chất độc hại , dễ cháy nổ , dễ cháy ,
khôngtiếp xúc trực tiếp với nguồn đốt nóng
-Chọn hệ số bền mối hàn ϕ
h
= 0,95
Ta có :

h
p
ϕ
σ
][
=
2519,539
222,0
95,0.126
>=
Do đó bề dày tối thiểu của thân được tính theo công thức :