ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
MỤC LỤC
trang
LỜI MỞ ĐẦU
CHƯƠNG I : TỔNG QUAN
I . LÝù THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT 3
II . GIỚI THIỆU SƠ BỘ NGUYÊN LIỆU 4
III . CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ ACID AXETIC– NƯỚC 6
CHƯƠNG II : CÂN BẰNG VẬT CHẤT
I . CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU 8
II . XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG SẢN PHẨM ĐỈNH VÀ SẢN PHẨM
ĐÁY 8
III . XÁC ĐỊNH TỈ SỐ HỒN LƯU THÍCH HỢP 9
IV . PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LÀM VIỆC – SỐ MÂM LÝ
THUYẾT 9
V . XÁC ĐỊNH SỐ MÂM THỰC TẾ 10
CHƯƠNG III :TÍNH TỐN –THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT
I . ĐƯỜNG KÍNH THÁP 12
II . MÂM LỖ – TRỞ LỰC CỦA MÂM 15
III . TÍNH TỐN CƠ KHÍ CỦA THÁP 19
CHƯƠNG IV : TÍNH TỐN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT- THIẾT
BỊ PHỤ
I . CÁC THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT 27
II. TÍNH BẢO ÔN CỦA THIẾT BỊ 38
III . TÍNH TỐN BƠM NHẬP LIỆU 39
CHƯƠNG V : GIÁ THÀNH THIẾT BỊ
I . TÍNH SƠ BỘ GIÁ THÀNH CỦA THIẾT BỊ 45
II . KẾT LUẬN 46
TÀI LIỆU THAM KHẢO
LỜI MỞ ĐẦU
Một trong những ngành có sự đóng góp to lớn đến ngành công nghiệp nước ta nói

Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu được
bấy nhiêu sản phẩm. Nếu xét hệ đơn giản chỉ có 2 hệ cấu tử thì ta thu được 2 sản
phẩm: sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm gồm cấu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt độ sôi nhỏ ),
sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi bé(nhiệt độ sôi lớn) .Đối với hệ acid
axetic - nước sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm nước và một ít acid axetic , ngược lại sản
phẩm đáy chủ yếu gồm acid axetic và một ít nước.
Các phương pháp chưng cất: được phân loại theo:
• Áp suất làm việc : chưng cất áp suất thấp, áp suất thường và áp suất cao.
Nguyên tắc của phương pháp này là dựa vào nhiệt độ sôi của các cấu tử, nếu nhiệt độ
sôi của các cấu tử quá cao thì ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi của các cấu
tử.
• Nguyên lý làm việc: liên tục, gián đoạn(chưng đơn giản) và liên tục.
* Chưng cất đơn giản(gián đoạn): phương pháp này đuợc sử dụng trong các
trường hợp sau:
+ Khi nhiệt độ

sôi của các cấu tử khác xa nhau.
+ Không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao.
+ Tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi.
+ Tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử.
* Chưng cất hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục) là quá trình được
thực hiện liên tục, nghịch dòng, nhều đoạn.
• Phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp: cấp nhiệt trực tiếp bằng hơi nước: thường
được áp dụng trường hợp chất được tách không tan trong nước .
Vậy: đối với hệ acid axetic – Nước, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp
nhiệt gián tiếp bằng nồi đun ở áp suất thường.
SVTH NGUYỄN BÁ DUY
3
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
2 . Thiết bị chưng cất:

Hiệu suất
cao.
Hoạt động ổn
định.
Nhược
điểm:
Hiệu suất
thấp
Thiết bị
nặng.
Độ ổn định
kém.
Trở lực khá cao.
Yêu cầu lắp đặt khắt
khe -> lắp đĩa thật phẳng
Cấu tạo phức
tạp.
Không làm
việc với chất lỏng
bẩn.
Trở lực lớn.
Nhận xét: tháp mâm xuyên lỗ là trạng thái trung gian giữa tháp chêm và tháp mâm
chóp. Nên ta chọn tháp chưng cất là tháp mâm xuyên lỗ.
Vậy: Chưng cất hệ acid axetic - Nước ta dùng tháp mâm xuyên lỗ hoạt động liên
tục ở áp suất thường, cấp nhiệt gián tiếp ở đáy tháp.
II . GIỚI THIỆU SƠ BỘ NGUYÊN LIỆU :
Nguyên liệu là hỗn hợp acid axetic - Nước.
1 . Acid acetic:
Axit acetic là chất lỏng không màu , có mùi thơm đặc trưng , vị chua . Khối lượng
riêng của axit acetic ở 20

C
Nhiệt độ sôi : 100
0
C
Nước là hợp chất chiếm phần lớn trên trái đất (3/4 diện tích trái đất là nước biển)
và rất cần thiết cho sự sống.
Nước là dung môi phân cực mạnh, có khả năng hồ tan nhiều chất và là dung môi
rất quan trọng trong kỹ thuật hóa học.
3 . Hỗn hợp Acid acetic – Nước:
Ta có bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Acid acetic -
Nước ở 760 mmHg:
x(%phân
mol) 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
y(%phân
mol) 0 9.2 16.7 30.3 42.5 53 62.6 71.6 79.5 86.4 93 100
t(oC) 118.4 115.4 113.8 110.1 107.5 105.8 104.4 103.3 102.1 101.3 100.6 100
III. CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ ACID ACETIC – NƯỚC:
* Sơ đồ qui trình công nghệ chưng cất hệ Acid acetic – nước:
SVTH NGUYỄN BÁ DUY
5
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
Chú thích các kí hiệu trong qui trình:
1 . Bồn chứa nguyên liệu.
2 . Bơm.
3 . Bồn cao vị.
4 . Lưu lượng kế.
5 . Thiết bị trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy.
6 . Thiết bị gia nhiệt nhập liệu.
7 . Bẩy hơi.
8 . Tháp chưng cất.

là các cấu tử khó bay hơi acid acetic .
Dung dịch lỏng đáy đi ra khỏi tháp vào nồi đun (12). Trong nồi đun dung dịch lỏng
một phần sẽ bốc hơi cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại ra khỏi nồi
đun được đưa vào bồn chứa sản phẩm đáy .
CHƯƠNG II : CÂN BẰNG VẬT CHẤT .
I . CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU :
• Năng suất nhập liệu:
(
x
=x
1
*M
1
/(x
1
*M
1
+(1-x
1
)*M
2
)=0.92*18/(0.92*18+0.08*60)=0.775
1/
antb
xx
ρρρ
/)1(/
−+=
=0.775/ +(1-0.775)/1039.6,
tb

=28
o
C .
+ Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội : t’
D
=35
o
C .
+ Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt : t’
W
= 35
o
C .
+Trạng thái nhập liệu là trạng thái lỏng sôi .
• Các kí hiệu :
+ G
F
, F : suất lượng nhập liệu tính theo Kg/h , Kmol/h .
+ G
D
, D : suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo Kg/h , Kmol/h .
+ G
W
,W : suất lượng sản phẩm đáy tính theo Kg/h , Kmol/h .
+ x
i
,
i
x
: phân mol , phân khối lượng của cấu tử i .

=235.29 (Kmol/h)
Khối lượng phân tử trung bình dòng sản phẩm đáy :
M
W
=
60).1(.18
WW
xx
−+
= 30.6 (Kg/Kmol).
Khối lượng phân tử trung bình dòng sản phẩm đỉnh :
M
D
=
60).1(.18
DD
xx
−+
=18.21 (Kg/Kmol).
Giải 2 phương trình (II.1),(II.2)ta có :
D =175.47 (Kmol/h)
W = 59.819 (Kmol/h)
III . XÁC ĐỊNH TỈ SỐ HỒN LƯU THÍCH HỢP :
1 . Tỉ số hồn lưu tối thiểu:
Tỉ số hồn lưu tối thiểu là chế độ làm việc mà tại đó ứng với số mâm lý thuyết là vô
cực .Do đó ,chi phí cố định là vô cực nhưng chi phí điều hành (nhiên liệu ,nước và
bơm…) là tối thiểu .
R
min
=

.
+
+
+
R
x
x
R
R
D
=
19,2
995,0
.
19,2
9,2
+
+
+
x
=0,7436.x + 0.2551
2 . Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng :
y =
W
x
R
f
x
R
fR

= 1.341 : chỉ số nhập liệu .
3 . Số mâm lý thuyết :
Đồ thị xác định số mâm lý thuyết
SVTH NGUYỄN BÁ DUY
8
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
số mâm lý thuyết là N
lt
= 27mâm .20 mâm cất,6 mâm chưng,1 mâm nhập liệu
V . XÁC ĐỊNH SỐ MÂM THỰC TẾ:
Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình :
tb
lt
tt
η
N
N
=
(st2/170)
trong đó: η
tb
: hiệu suất trung bình của đĩa, là một hàm số của độ bay hơi tương đối
và độ nhớt của hỗn hợp lỏng : η = f(α,µ).
N
tt
: số mâm thực tế.
N
lt
: số mâm lý thuyết.
• Xác định hiệu suất trung bình của tháp η

F
= 0.92 ta tra đồ thị cân bằng của hệ : y
*
F
= 0.945
t
F
= 100.52
o
C
+
92.0
92.01
.
945.01
945.0
x
x1
y1
y
α
F
F
*
*
F
−
−
=
−

F
.
F
= 1.494*0.443 =0.662
Tra tài liệu tham khảo [(tập 2) – trang 171] : 
F
= 0.55
* Tại vị trí mâm đáy :
SVTH NGUYỄN BÁ DUY
9
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
x
W
= 0.7 ta tra đồ thị cân bằng của hệ : y
*
W
= 0.795
t
W
= 102.1
o
C
+
7.0
7.01
.
795.01
795.0
x
x1

-3
Ns/m
2

W
=0.443.10
-3
(N.s/m
2
) =0,443 (cP)
Suy ra : 
W
.
W
= 1.662*0.443 = 0.736
Tra tài liệu tham khảo [4(tập 2) – trang 171] : 
W
= 0.53
*Tại vị trí mâm đỉnh :
x
D
= 0.995 ta tra đồ thị cân bằng của hệ : y
*
D
= 0.997
t
D
= 100.22
o
C

a
= 0.46.10
-3
Ns/m
2
; 
n
=0.284.10
-3
Ns/m
2

D
=0.443.10
-3
(N.s/m
2
) =0,443 (cP)
Suy ra : 
D
.
D
= 1.67*0.443 = 0.74
Tra tài liệu tham khảo [4(tập 2) – trang 171] : 
D
= 0.53
Suy ra: hiệu suất trung bình của tháp :

tb
=

tbyy
tb
g
)ω.(
0188,0
ω.3600.π
4V
D
tb
tb
t
ρ
==
(m)(t2 tr181)
V
tb
:lượng hơi trung bình đi trong tháp (m
3
/h).
ω
tb
:tốc độ hơi trung bình đi trong tháp (m/s).
g
tb
: lượng hơi trung bình đi trong tháp (Kg/h).
Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng và đoạn cất khác nhau.Do đó, đường
kính đoạn chưng và đoạn cất cũng khác nhau .
1. Đường kính đoạn cất :
a . Lượng hơi trung bình đi trong tháp :
2






=
+=
+=
dd
D
rgrg
xDxGyg
DGg
..
...
11
1111
11
(III.1)
Với : G
1
: lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn cất .
r
1
: ẩn nhiệt hố hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn cất
r
d
: ẩn nhiệt hố hơi của hỗn hợp hơi đi ra ở đỉnh tháp .
* Tính r
1

= 100.22
o
C , tra tài liệu tham khảo IV (tập 1) ta có :
Aån nhiệt hố hơi của nước : r
Nd
= 40512.96 (KJ/kmol) .
Aån nhiệt hố hơi của acid : r
ad
= 24195.24(KJ/kmol) .
SVTH NGUYỄN BÁ DUY
11
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
Suy ra : r
d
= r
Nd
.y
D
+ (1-y
D
).r
ad
=40512.96*0.997 + (1- 0.997)*24195.24
= 40464 (KJ/kmol)
* x
1
= x
F
= 0.92
Giải hệ (III.1) , ta được :

: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (Kg/m
3
) .

ytb
: khối lượng riêng trung bình của pha hơi (Kg/m
3
) .
• Xác định 
ytb
:
( )
[ ]
( )
273.4,22
273.60.118.
+
−+
=
tb
tbtb
ytb
t
yy
ρ
Với: + Nồng độ phân mol trung bình : y
tb
=
2
1 D

tb
=
2
DF
xx
+
=
2
099592.0
+
= 0.4577
Suy ra :
60).1(.18
.18
tbtb
tb
tb
xx
x
x
−+
=
t
tb
= 100.37
o
C , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)-trang 9], ta có :

a
=958kg/m

ωω
= 1.559 (m/s)
Vậy :đường kính đoạn cất :
D
cất
=
631.0*559.1
01.13245
.0188,0
=2.181 (m).
2. Đường kính đoạn chưng :
a . Lượng hơi trung bình đi trong tháp :
SVTH NGUYỄN BÁ DUY
12
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
2
1
,,
,
gg
g
n
tb
+
=
(Kg/h)
g’
n
: lượng hơi ra khỏi đoạn chưng (Kg/h).
g’

.'.''.'
..'.
rgrgrg
xWygxG
WgG
nn
WW
(III.2)
Với : G
’
1
: lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn chưng .
r’
1
: ẩn nhiệt hố hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng.
* Tính r’
1
: x
W
=0.7 tra đồ thị cân bằng của hệ ta có : y
W
=0.795
Suy ra :M
tbg’
=18.y
W
+(1-y
W
).60=26.61 (Kg/kmol)
t’

.y
1
+ (1-y
1
).r
a1
= 24195.24 + 16317.72y
1
=39517.579(KJ/kmol)
* W = 59.819 (Kmol/h)
Giải hệ (III.2) , ta được : x’
1
=0.788_ M
tbG’
=26.9
G
’
1
=804.91 (Kmol/h)
g’
1
= 745.09 (Kmol/h) = 20042.921(Kg/h)
Vậy : g’
tb
=
2
799.14085921.20042
+
=17064.36 (Kg/h)
b . Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp :

+
−+
=
tb
tbtb
ytb
t
yy
ρ
Với: + Nồng độ phân mol trung bình :
y’
tb
=
2
1 W
yy
+
=
2
795.0939.0
+
=0.867
+ Nhiệt độ trung bình đoạn chưng :t’
tb
=
2
WF
tt
+
=

60).'1('.18
'.18
'
tbtb
tb
tb
xx
x
x
−+
=
=0.5612
t’
tb
= 101.31
o
C , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)-trang 9], ta có :
Khối lượng riêng của nước : ’
N
= 958(Kg/m
3
)
Khối lượng riêng của rượu : ’
a
= 958(Kg/m
3
)
Suy ra :’
xtb
=

gh
ω
=1.766 (m/s)
Để tránh tạo bọt ta chọn tốc độ hơi trung bình đi trong tháp :
==
ghh
'.8,0'
ωω
0.8*1.766= 1.413 (m/s)
Vậy :đường kính đoạn cất :
D
chưng
=
413.1*768.0
36.17064
.0188,0
=2.36 (m).
Kết luận : hai đường kính đoạn cất và đoạn chưng không chênh lệch nhau quá lớn
nên ta chọn đường kính của tồn tháp là : D
t
= 2.2(m).
Khi đó tốc độ làm việc thực ở :
+ Phần cất : ω
lv
=
==
631.0.2.2
01.13245.0188,0
.
.0188,0

Chọn : + Đường kính lỗ : d
l
= 8 (mm).
+ Tổng diện tích lỗ bằng 10% diện tích mâm.
+ Khoảng cách giữa hai tâm lỗ bằng 3 lần đường kính lỗ (bố trí lỗ theo tam giác
đều ).
+ Tỷ lệ bề dày mâm và đường kính lỗ là 6/10 .
+ Diện tích dành cho ống chảy chuyền là 20% diện tích mâm .
Số lỗ trên 1 mâm :
N =
lo
mâm
S
%.10 S
=
2
2
008,0
2.2
.1.0.1.0






=




: độ giảm áp do sức căng bề mặt (mm.chất lỏng).
SVTH NGUYỄN BÁ DUY
14
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
Trong tháp mâm xuyên lỗ ,gradien chiều cao mực chất lỏng trên mâm ∆ là không
đáng kể nên có thể bỏ qua .
a . Độ giảm áp qua mâm khô :
Độ giảm áp của pha khí qua mâm khô được tính dựa trên cơ sở tổn thất áp suất do
dòng chảy đột thu , đột mở và do ma sát khi pha khí chuyển động qua lỗ.
L
G
o
o
L
G
o
o
k
C
u
g
C
v
h
ρ
ρ
ρ
ρ
..0,51
..2

=
(mm.chất lỏng)
Với : + u
o
:vận tốc pha hơi qua lỗ (m/s).
+ 
G
: khối lượng riêng của pha hơi (Kg/m
3
).
+ 
L
: khối lượng riêng của pha lỏng (Kg/m
3
).
+ C
o
:hệ số orifice ,phụ thuộc vào tỷ số tổng diện tích lỗ với diện tích mâm và tỷ số
giữa bề dày mâm với đường kính lỗ.
Ta có :
mâm
S
S
lo
∑
=0.1và
lo
mâm
d
δ

631.0
.
7.0
33.15
.51
2
2








=
k
h
=16.11(mm.chất lỏng).
• Đối với mâm ở phần chưng :
+ Vận tốc pha hơi qua lỗ : u’
o
=
1.0
623.1
%10
'
=
lv
ω



=
k
h
= 21.98 (mm.chất lỏng).
b . Độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm :
Phương pháp đơn giản để ước tính độ giảm áp của pha hơi qua mâm do lớp chất
lỏng trên mâm h
l
là từ chiều cao gờ chảy tràn h
w
, chiều cao tính tốn của lớp chất lỏng
trên gờ chảy tràn h
ow
và hệ số hiệu chỉnh theo kinh nghiệm β :
h
l
= β.( h
w
+ h
ow
) , (mm.chất lỏng)
Chọn : + Hệ số hiệu chỉnh : β = 0,6
+ Chiều cao gờ chảy tràn : h
w
= 50 (mm)
Chiều cao tính tốn của lớp chất lỏng trên gờ chảy tràn được tính từ phương trình
Francis với gờ chảy tràn phẳng :
3

w
:
Diện tích dành cho ống chảy chuyền là 20% diện tích mâm , nên ta có phương
trình sau :
π
π
.2,0sin
180
.
=−
o
o
o
n
n
Với : n
o
:góc ở tâm chắn bởi chiều dài đoạn L
w
.
Dùng phương pháp lặp ta được : n
o
= 93
o
12’22”
Suy ra : L
w
= D
t
. sin(n






=
ow
h
= 9.926 (mm).
Vậy :Độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm ở phần cất là:
h
l
= 0.6.(50+9.926) = 35.956 (mm.chất lỏng).
• Phần chưng :
958.60
98.25*153.774
'.60
).*
'
(
=
+
=
xtb
tb
F
D
L
MR
q

Độ giảm áp do sức căng bề mặt được xác định theo biểu thức :
lL
R
d
h
.
.54.625
ρ
σ
=
, (mm.chất lỏng)
Với : + σ : sức căng bề mặt của chất lỏng (dyn/cm).
+ ρ
L
: khối lượng riêng của pha lỏng (Kg/m
3
).
• Phần cất :
* Khối lượng riêng của pha lỏng : 
L
= ρ
xtb
= 958 (Kg/m
3
).
* t
tb
= 100.37
o
C ,tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], ta có :

xtb
= 958 (Kg/m
3
).
SVTH NGUYỄN BÁ DUY
16
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bị GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
* t’
tb
= 101.31
o
C ,tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], ta có :
+ Sức căng bề mặt của nước : σ’
N
= 58.9 (dyn/cm).
+ Sức căng bề mặt của acid : σ’
a
= 19.8 (dyn/cm).
Suy ra :Sức căng bề mặt của chất lỏng ở phần chưng :
aN
aN
''
'.'
'
σσ
σσ
σ
+
=
= 14.819 (dyn/cm).

).
Suy ra :Tổng trở lực của tồn tháp hay độ giảm áp tổng cộng của tồn tháp là :(xem
độ giảm áp tổng cộng của pha khí qua mâm nhập liệu bằng độ giảm áp tổng cộng của
pha khí qua một mâm ở phần chưng )
∑h
tl
= 37. h
tl
+ 13. h’
tl
= 37 . 500.71+13 .586.36 =26148.95 (N/m
2
).
3 . Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động :
Chọn khoảng cách giữa hai mâm là h
mâm
=0.4 (m).
Bỏ qua sự tạo bọt trong ống chảy chuyền, chiều cao mực chất lỏng trong ống chảy
chuyền của mâm xuyên lỗ được xác định theo biểu thức :
h
d
= h
w
+ h
ow
+ h
tl
+ h
d’
, (mm.chất lỏng)

d
: tiết diện giữa ống chảy chuyền và mâm, khi đó :
S
d
= 0.8 . S
mâm
= 0.8 . π.1.1
2
=2.76 (m
2
)
• Phần cất : Q
L
= 60.q
L
= 60 . 0.175 =10.5 (m
3
/h).
Suy ra :
2
'
76.2.100
5.10
.128.0







'
76.2.100
16.20
.128.0'






=
d
h
= 0.00068 (mm.chất lỏng).
Vậy : chiều cao mực chất lỏng trong ống chảy chuyền của mâm xuyên lỗ ở phần
chưng :
SVTH NGUYỄN BÁ DUY
17